DE3341048A1 - FIBER OPTIC THERMOMETER - Google Patents
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Description
Fase r-Opt ik-The rmomete rFiber optic thermometers
Die Erfindung betrifft einen Faser-Optik-Thermometer.The invention relates to a fiber optic thermometer.
Bekannte Faser-Optik-Thermometer basieren im wesentlichen auf der Verwendung eines Fühlers, der an eine Glasfaser aufgesetzt ist und dessen Verhalten sich in eindeutiger Weise mit der Temperatur ändert.Known fiber-optic thermometers are essentially based on the use of a sensor which is attached to a glass fiber and its behavior changes in a clear way with temperature.
Ein Vergleich der Lichtdichte am Eingang des Fühlers mit der entsprechenden Lichtdichte am Ausgang des Fühlers gestattet die genaue Bestimmung der Temperatur des Körpers, an den der übertrager angelegt ist.A comparison of the light density at the input of the sensor with the corresponding light density at the output of the sensor is possible the exact determination of the temperature of the body to which the transformer is created.
Faser-Optik-Thermometer eignen sich insbesondere für Messungen an gefährlichen und schwer zugänglichen Stellen und haben gegenüber Thermoelementen den Vorteil, daß sie aus dielektrischem Material bestehen und somit gegenüber elektromagnetischen Feldern unempfindlich sind.Fiber-optic thermometers are particularly suitable for measurements in dangerous and inaccessible places and have the advantage over thermocouples that they are made of dielectric Material and are therefore insensitive to electromagnetic fields.
Das aus der US-Patentschrift 4 176 552 bekannte Faser-Optik-Thermometer weist zwei nicht umhüllte optische Fasern auf, nämlich eine Zuführungsfaser und eine Abführungsfaser, welche in einer Kapillare angeordnet sind, die teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Da der Brechungsindex der Flüssigkeit größer als der Brechungsindex der Faser ist, wenn Licht aus einer Lichtquelle das Ende der entsprechenden Faser erreicht,The fiber optic thermometer known from U.S. Patent 4,176,552 has two unclad optical fibers, namely an input fiber and an output fiber, which are arranged in a capillary which is partially filled with a liquid. Because the refractive index of the liquid is greater than the refractive index of the fiber when light from a light source reaches the end of the corresponding fiber,
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verläßt das Licht den Meßfühler und kuppelt beide Fasern miteinander. Da die verwendete Flüssigkeit einen temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten hat, ändert sich das Volumen der Flüssigkeit und somit der Flüssigkeitsstand in Abhängigkeit von der Temperatur; hierdurch wird eine mehr oder weniger große Kupplung zwischen der Zuführungsfaser und der Abführungsfaser hervorgerufen. Zur Vergrößerung der Empfindlichkeit des Instrumentes wurde vorgeschlagen, mehrere Zuführungsfasern und mehrere Abführungsfasern vorzusehen, damit der kleinere für die Flüssigkeit zur Verfugung stehende Raum in der Kapillare größere Variationen des Flüssigkeitsstandes (und somit größere Veränderungen der Kupplung zwischen den Fasern) bei gleichen Volumenveränderungen hervorruft.the light leaves the sensor and couples both fibers together. Because the liquid used is temperature-dependent Has expansion coefficients, the volume of the liquid and thus the liquid level changes as a function on the temperature; this creates a more or less large coupling between the feed fiber and the output fiber evoked. To increase the sensitivity of the instrument it has been suggested to use multiple delivery fibers and providing a plurality of discharge fibers to provide the smaller space available for the liquid in the capillary larger variations in the fluid level (and thus larger changes in the coupling between the fibers) same volume changes.
Ein erheblicher Nachteil dieses bekannten Thermometers liegt darin, daß seine Funktionsweise auf Veränderungen des Flüssigkeitsstandes beruht und somit eine genaue Positionierung (vertikal!) des Meßfühlers erfordert.A significant disadvantage of this known thermometer is that its mode of operation is based on changes in the liquid level based and thus requires precise positioning (vertical!) of the sensor.
Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Thermometers liegt darin, daß die Kupplung zwischen den Fasern nur für reflektiertes Licht gegeben ist, wodurch die Empfindlichkeit des Instruments begrenzt ist; zur Verbesserung der Empfindlichkeit muß man eine Vielzahl von Fasern verwenden, wodurch die Gesamtgröße des Fühlers erhöht wird.Another disadvantage of this known thermometer is that the coupling between the fibers is only for reflected There is light, which limits the sensitivity of the instrument; to improve sensitivity a multiplicity of fibers must be used, which increases the overall size of the probe.
Hin dritter Nachteil liegt darin, daß ein Biegen der Faser zu einer Schwächung führt, wodurch die Empfindlichkeit des Instrumentes weiter herabgesetzt wird, da das Biegen zu Fehlern führt, die von der Verwendungsweise des Instrumentes abhängen. Hin third disadvantage is that a bending of the fiber leads to a weakening, is further reduced thereby reducing the sensitivity of the instrument, as the bending leads to errors, which depend on the manner of use of the instrument.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Faser-Optik-Thermometer anzugeben, welches nicht die genannten Nachteile bekannter Instrumente hat, sondern insbesondere die folgenden Vorteile aufweist:The invention is based on the object of a fiber optic thermometer indicate which does not have the disadvantages of known instruments mentioned, but in particular the following Has advantages:
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1. Weiter Meßbereich,1. Wide measuring range,
2. hohe Empfindlichkeit, sogar mit nur einer einzigen Paser,2. high sensitivity, even with a single paser,
3. leichte Minlaturisierbarkeit,3. easy miniaturization,
4. praktische Unempfindlichkeit gegenüber der Stellung des Fühlers und ganz allgemein die Art der Anwendung,4. Practical insensitivity to the position of the feeler and, in general, the type of application,
5. zuverlässige Arbeitsweise, sogar bei niederer Leistung,5. reliable operation, even at low power,
6. geringe Herstellungskosten.6. low manufacturing costs.
Durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst und werden die vorgenannten Vorteile erreicht.The object on which the invention is based is achieved and the aforementioned are achieved by the features specified in claim 1 Benefits achieved.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen beschrieben; es zeigen:The invention is described with reference to the accompanying drawings; show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Faser-Optik-Thermometers, Fig. 1 is a block diagram of the fiber optic thermometer according to the invention,
Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch den Temperaturfühler, der am Ende der optischen Faser angeordnet ist,2 shows an enlarged longitudinal section through the temperature sensor, which is placed at the end of the optical fiber,
Fig. 3 die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Fühlers von der Temperatur, wenn im Fühler der überzug über den Faserkern aus Glyzerin besteht,Fig. 3 shows the dependence of the output signal of the sensor on the temperature when the coating in the sensor over the Fiber core consists of glycerine,
Fig. 4 die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Fühlers fü'r verschiedene Substanzen, aus denen im Fühler der überzug des Faserkerns bestehen kann,4 shows the dependence of the output signal of the sensor for various substances that make up the coating in the sensor of the fiber core can exist,
Fig. 5 und 6 zwei Varianten des Gegenstandes der Fig. 2 undFIGS. 5 and 6 show two variants of the object of FIGS. 2 and
(ο(ο
Pig. 7 eine Variante des Gegenstandes der Fig. 1.Pig. 7 shows a variant of the object of FIG. 1.
Das erfindungsgemäße Thermometer weist eine Lichtquelle 1, beispielsweise eine LED (eine Leuchtdiode) auf, welche von einem Modulator 2 moduliert isb. Gegenüber der Lichtquelle 1 ist ein StrahlaufteHer 3 angeordnet. In Richtung des von der LED 1 ausgesandten Lichtstrahles 4, jenseits des Strahlaufteile rs 3, ist eine optische Paser 5 angeordnet, auf deren Ende der Temperaturfühler 6 aufgesetzt ist. Die optische Paser hat vorteilhaft einen abgestuften Brechungsindex, beispielsweise ein Siliciumkern J mit einem Durchmesser von 200 bis 600 μπι und mit einer Plastik-Umhüllung 8. Der Fühler 6 besteht vorteilhaft aus einer Glas-oder Teflon-Kapillare 9 von 1 bis 2 mm Druchmesser, in welche das Ende der Pas er 5 nach Entfernen der Umhüllung 8 eingesetzt ist, und in welche ein Material 10, vorteilhaft eine Flüssigkeit (beispielsweise Glyzerin), mit einem Brechungsindex i größer als der Brechungsindex k der Umhüllung 8, eingesetzt ist.The thermometer according to the invention has a light source 1, for example an LED (a light-emitting diode), which is modulated by a modulator 2. A beam guide 3 is arranged opposite the light source 1. In the direction of the light beam 4 emitted by the LED 1, beyond the beam splitter rs 3, an optical paser 5 is arranged, on the end of which the temperature sensor 6 is placed. The optical fiber advantageously has a graded refractive index, for example a silicon core J with a diameter of 200 to 600 μm and with a plastic cover 8. The sensor 6 advantageously consists of a glass or Teflon capillary 9 with a diameter of 1 to 2 mm, into which the end of the pas he 5 is inserted after the sheath 8 has been removed, and into which a material 10, advantageously a liquid (for example glycerine), with a refractive index i greater than the refractive index k of the sheath 8, is inserted.
Am Austrittsende des Kerns 7 der Paser 5 ist eine reflektierende Oberfläche 11 vorgesehen.At the exit end of the core 7 of the paser 5 is a reflective one Surface 11 is provided.
Ein Referenzdetektor 12, danach ein Verstärker 13 und ein Filter 14 j sind im Strahlengang des vom StrahlaufteHer abgelenkten Strahles angeordnet. Jenseits des Strahlauftellers, in entgegengesetzter Richtung zum Detektor 12, befindet sich ein weiterer Detektor 15, hinter welchem ein Verstärker 16 und ein Filter 17 angeordnet sind. Die Ausgangssignale der beiden Filter 16 und 17 gehen in einen Teiler 18 und weiter zu einer Anzeige 19·A reference detector 12, then an amplifier 13 and a filter 14 j are in the beam path of the deflected beam Arranged beam. Beyond the jet plate, in opposite direction to the detector 12, there is another detector 15, behind which an amplifier 16 and a Filters 17 are arranged. The output signals of the two filters 16 and 17 go to a divider 18 and on to one Advert 19
Das erfindungsgemäße Thermometer arbeitet folgendermaßen:The thermometer according to the invention works as follows:
Der von der modulierten Lichtquelle 1 ausgehende Lichtstrahl 4 wird in die optische Faser 5 gebündelt, wobei ein Teil des Strahles vom Strahlaufteiler 3 auf den Referenzdetektor 12 abgelenkt wird. Das vom Detektor 12 erzeugte elektrische Signal wird im Verstärker 13 verstärkt, im Filter 14 gefiltertThe light beam 4 emanating from the modulated light source 1 is bundled into the optical fiber 5, with part of the Beam from the beam splitter 3 to the reference detector 12 is distracted. The electrical signal generated by the detector 12 is amplified in amplifier 13 and filtered in filter 14
~'-y-~ - 3341 0Λ8 * % ~ '-y- ~ - 3341 0Λ8 * %
und dann dem Teller 18 zugeführt. Der von der optischen Fayer 5 geführte Strahl wird im Fühler 6 geschwächt, wobei diese Schwächung vorn Brechungsindex I der Flüssigkeit 10 abhängt.and then fed to the plate 18. The one from the optical fayer The beam guided 5 is weakened in the sensor 6, this weakening depending on the refractive index I of the liquid 10.
Insbesondere erreicht die von der Paser 5 übertragene Lichtenergie den Fühler 6. Da einerseits der Brechungsindex i der Flüssigkeit 10 größer ist als der Brechungsindex k der Umhüllung 8, und da andererseits der Anriahmewinkel )der Faser an dieser Flüssigkeit 10 infolgedessen kleiner ist, wird im Fühler ein Teil dieser Lichtenergie außerhalo des Kerns 7 reflektiert, und dies entspricht einer Energieabschwächung beim Durchgang durch diesen Teil des Kernes 7, welcher von der Flüssigkeit 10 umgeben ist. Beim Erreichen der reflektierenden Oberfläche 11 wird der geschwächte Lichtstrahl reflektiert und durchquert nochmals den von dem überzug 10 umgebenen Kern 7, wo er eine weitere Schwächung erfährt. Da der Brechungsindex i der Flüssigkeit 10 temperaturabhängig Ist, verändert sich der Annahmewinkel der Faser 5 und somit die Schwächung der Lichtenergie ebenfalls in einer von der Temperatur abhängigen Weise. Der reflektierte Strahl, welcher gegenüber dem von der LKD 1 ausgesandten Strahl geschwächt ist, durchquert nochmals den umgekehrten Weg in der Faser 5, trifft nochmals auf den Strahlaufteiler 3 und wird zum Detektor 15 abgelenkt. Das von diesem Detektor 15 erzeugte elektrische Signal wird im Verstärker l6 verstärkt, vom Filter 17 gefiltert und dem Teiler 18 zugeführt. In diesem wird das Verhältnis des Signals vom Meßkanal (Detektor 15/Verstärker l6/Filter 17) zu dem vom Referenzkanal ausgesandten Signal (Detektor 12/Verstärker 13/Fllter 14) genommen, um Schwankungen der Lichtquelle 1 zu eliminieren, und das sich dann ergebende Signal wird verarbeitet und in der Anzeige 19 angezeigt.In particular, the light energy transmitted by the Paser 5 reaches the sensor 6 a part of this light energy is reflected outside the halo of the core 7, and this corresponds to an energy attenuation when passing through this part of the core 7 which is surrounded by the liquid 10. Upon reaching the reflective surface 11, the weakened light beam is reflected and again crosses the core 7 surrounded by the coating 10, where it is further weakened. Since the refractive index i of the liquid 10 is temperature-dependent, the acceptance angle of the fiber 5 and thus the attenuation of the light energy also change in a manner dependent on the temperature. The reflected beam, which is weakened compared to the beam emitted by the LKD 1, again traverses the opposite path in the fiber 5, strikes the beam splitter 3 again and is deflected to the detector 15. The electrical signal generated by this detector 15 is amplified in the amplifier 16, filtered by the filter 17 and fed to the splitter 18. In this the ratio of the signal from the measuring channel (detector 15 / amplifier 16 / filter 17) to the signal emitted by the reference channel (detector 12 / amplifier 13 / filter 14) is taken in order to eliminate fluctuations in the light source 1, and the resultant Signal is processed and displayed on display 19.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Ansprechens des Fühlers 6 von der Temperatur, wenn die Flüssigkeit 10 aus reinem Glyzerin besteht, dessen Brechungsindex i mit zunehmender Temperatur abnimmt.3 shows the dependence of the response of the sensor 6 on the temperature, if the liquid 10 consists of pure glycerine, its refractive index i with increasing temperature decreases.
) d.h. der Komplementärwinkel zum Grenzwinkel der Totalreflexion) i.e. the complementary angle to the critical angle of total reflection
Die horizontale Achse der Pig. 3 zeigt die Temperatur in 0C
und die vertikale Achse die gemessene Spannung am Ausgang des Verstärkers 16, der hinter dem Detektor 15 angeordnet ist. Die
Spannung ist der Intensität des vom Detektor 15 erhaltenen Lichtes proportional. Man erkennt, dato die Kurve bis zu einer
Temperatur von etwa 52°C fällt, an welchem der Brechungsindex i der Flüssigkeit 10 gleich dem Brechungsindex q des Kernes
ist. Für Temperaturen zwischen 52°C und etwa 700C steigt die
Kurve mit zunehmender Temperatur an. Das Instrument wird vorteilhaft innerhalb des zweiten Temperaturbereiches verwendet,
in welchem k kleinergleich I kleinergleich q, da die stärkere Steigung der Kurve eine hohe Ansprechempfindlichkeit gestattet,
allerdings über einen begrenzten Temperaturbereich. Dieser Bereich kann dadurch erweitert werden, daß man den Fühler
6 durch andere Fühler ersetzt, welche unterschiedliche Flüssigkeiten aufweisen.The horizontal axis of the pig. 3 shows the temperature in 0 C and the vertical axis shows the measured voltage at the output of the amplifier 16, which is arranged behind the detector 15. The voltage is proportional to the intensity of the light received from the detector 15. It can be seen that the curve falls to a temperature of about 52 ° C., at which the refractive index i of the liquid 10 is equal to the refractive index q of the core
is. For temperatures between 52 ° C and about 70 0 C, the curve rises with increasing temperature. The instrument is advantageously used within the second temperature range in which k is less than or equal to I less than or equal to q, since the steeper slope of the curve allows high sensitivity, but over a limited temperature range. This range can be expanded by replacing the sensor 6 with other sensors which have different liquids.
Fig. 4 zeigt beispielsweise vier Kurven, welche für unterschiedliche Flüssigkeiten das erhaltene Austrittsssignal zeigen. Kurve a entspricht verdünntem Glyzerin, Kurve b reinem Glyzerin (wie Fig. 3), und die Kurven c und d zwei unterschiedlichen Typen von Mineralölen. Auf diese Weise kann man sehr große Meßbereiche abdecken, indem man einfach den Meßfühler austauscht.Fig. 4 shows, for example, four curves, which for different Liquids show the exit signal obtained. Curve a corresponds to diluted glycerine, curve b to pure Glycerine (like Fig. 3), and curves c and d two different types of mineral oils. That way you can Cover very large measuring ranges by simply exchanging the probe.
In einigen Fällen kann man das Instrument auch in dem Temperaturbereich verwenden, in dem die Kurve mit zunehmender Temperatur fällt (k kleinergleich q kleinergleich i), wenn man eine geringere Ansprechempfindlichkeit inkaufnimmt, um einen erweiterten Meßbereich zu erhalten.In some cases the instrument can also be used in the temperature range in which the curve falls with increasing temperature (k less than or equal to q less than or equal to i), if you have a takes less responsiveness to an extended one To obtain measuring range.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 gestattet die Einschnürung des Kernes 7 eine Veränderung des vom Fühler ausgesandten Signals, wodurch der überdeckte Temperaturbereich erweitert wird. In dieser Hinsicht entspricht die Einschnürung des Kernes 7 der Faser 5 zwei Verjüngungen, welche vom Lichtstrahl zweimal getroffen werden, nämlich beim Hinweg vor dem Auf treffen auf die reflektierende Fläche 11 und beim Rückweg. Jeder Verjüngung entspricht eine Verminderung des Armahmewinkels der FaserIn the embodiment of FIG. 5, the constriction of the core 7 allows the signal emitted by the sensor to be changed, whereby the covered temperature range is expanded. In this respect, the constriction of the core corresponds to 7 the fiber 5 has two tapers, which are hit twice by the light beam, namely on the way there before the hit on the reflective surface 11 and on the way back. Everyone rejuvenation corresponds to a reduction in the arm angle of the fiber
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5. Dies führt zu einer größeren Schwächung. Die Einschnürung verändert die Ansprechkurve in der V/eise, wie dies durch die gestrichelte Linie der Fig. 3 angedeutet ist, woraus sich natürlich ein erweiterter Meßbe reich ergibt.5. This leads to a greater weakening. The constriction changes the response curve in V / eise, as indicated by the dashed line in FIG. 3, from which of course an extended Meßbe rich results.
Fig. 6 zeigt einen Fühler, in dem der Kern 7 der Faser 5 eine einzige Verjüngung aufweist. In diesem Falle kann die Verminderung des Durchmessers der Faser zur Mini aturlaieruriß d<i,-·. Fühlers 6 verwendet werden.Fig. 6 shows a sensor in which the core 7 of the fiber 5 a has only taper. In this case, the reduction in the diameter of the fiber to the miniature crack d <i, - ·. Sensor 6 can be used.
Das Blockschaltbild der Fig. 7 zeigt ein Faser-Optik-Thermometer, welches, im Unterschied zu dem schematisch in Fig. 1 dargestellten Thermometer, unempfindlich ist gegen eine zusätzliche, durch ein Knicken der Faser hervorgerufene Schwächung. The block diagram of FIG. 7 shows a fiber optic thermometer which, in contrast to the one shown schematically in FIG shown thermometer, is insensitive to an additional, weakening caused by kinking the fiber.
Bei dieser Ausführungsform weist das Thermometer zwei identische Lichtstrahlen 4 und V auf, welche von der modulierten Lichtquelle 1 ausgesandt werden. Nach Durchgang durch die beiden Strahlaufteiler 3 und 3' werden beide Strahlen in zwei optischen Fasern 5 und 5' gebündelt, Vielehe miteinander starr verbunden sind. Die Faser 5 entspricht der Faser 5 des Thermometers der Fig. 1, wogegen die Faser 5' keinen Temperaturfühler, jedoch am Ende eine reflektierende Oberfläche aufweist. Auf diese Weise sind die Meß- und Referenz-Kanäle getrennt, doch beeinflußt ein Knicken die optischen Fasern in gleicher V/eise, da sie starr miteinander verbunden sind, und dies eliminiert die Wirkung dieser Fehlerquelle auf das Verhältnis.In this embodiment, the thermometer has two identical light beams 4 and V, which are modulated by the Light source 1 are emitted. After passing through the two beam splitters 3 and 3 ', both beams become two optical fibers 5 and 5 'bundled, polygamy rigidly connected to each other. The fiber 5 corresponds to the fiber 5 of the thermometer of Fig. 1, whereas the fiber 5 'does not have a temperature sensor, but has a reflective surface at the end. In this way the measuring and reference channels are separated, however, kinking affects the optical fibers equally V / eise, because they are rigidly connected to each other, and this eliminates the effect of this source of error on the ratio.
Das erfindungsgemäße Thermometer kann für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, wie zur überwachung von Hochspannungsanlagen (Leitungen, Umformer und dergl.) oder elektrischen Apparaten (Mikrowellenherde usw.). Auch eignet es sich für medizinische Anwendungen (Wärmestauung), bei welcher u. a. kleine Abmessungen verlangt werden. Im letzteren Anwendungsfall gestattet der miniaturisierte Meßfühler die Ausführung lokalisierter Temperaturmessungen.The thermometer according to the invention can be used for various applications be used, such as for monitoring high-voltage systems (lines, converters and the like.) or electrical Apparatus (microwave ovens, etc.). It is also suitable for medical applications (heat build-up), in which inter alia. small dimensions are required. In the latter application, the miniaturized probe allows execution localized temperature measurements.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
Claims (7)
dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (6) aus einem Abschnitt der optischen Paser (5) besteht, in welchem Abschnitt die Umhüllung (8) durch einen Überzug (10) ersetzt ist, dessen Brechungsindex (i) im Meßbereich des Instrumentes nicht geringer als der Brechungsindex (k) der Umhüllung und temperaturabhängig veränderlich ist, wobei das von der Lichtquelle (1) abgewandte Ende der optischen Paser mit einer reflektierenden Oberfläche (11) versehen ist.(JLy Paser-Optik-Thermometer with a light source, with an optical paser, which is connected to the light source and consists of a core provided with a covering, as well as a temperature sensor, which is connected to the fiber,
characterized in that the temperature sensor (6) consists of a section of the optical fiber (5), in which section the sheath (8) is replaced by a coating (10) whose refractive index (i) in the measuring range of the instrument is not less than that The refractive index (k) of the cladding and is variable as a function of temperature, the end of the optical fiber facing away from the light source (1) being provided with a reflective surface (11).
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