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Faseroptischer Temperatursensor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Temperatursensor
mit zwei Lichtleitfasern, deren erste Lichtleitfaser an einem Ende mit einer Lichtquelle
und deren zweite Lichtleitfaser an einem Ende mit einem Fotoempfänger versehen sind
und deren Stirnflächen der freien Enden der ersten und zweiten Lichtleitfaser axial
einander gegenüber angeordnet sind und bei dem sich der Transmissionswert des von
der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes in Abhängigkeit der Temperatur ändert.
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Faseroptische Sensoren können hinsichtlich ihrer Wirkungsweise in
verschiedene Klassen eingeteilt werden.
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Bei den "Allfaser-5ensoren" wirkt der zu messende Parameter auf den
Lichtwellenleiter selbst und verändert die Lichtwellenleiter-Eigenschaften. Bei
den faseroptischen "Hybrid-Sensoren" wird der Lichtwellenleiter nur als passive
Versorgungsleitung eingesetzt. Die Beeinflussung des Lichtes erfolgt in einem externen
Sensorelement. Bei faseroptischen Multimode-Sensoren ruft die Meßgröße eine Lichtleistungsänderung
hervor. Diese Änderung kann durch Biegung, Verschiebung, Brechzahländerung, Fotoemission,
Streuung oder Doppelbrechung hervorgerufen werden. Bei faseroptischen Sensoren werden
am Sensor selbst keine elektrischen Leitungen zur Strom- und Spannungsversorgung
benötigt, da Licht die Versorgung des Sensors sowie die Übertragung des Meßsignals
übernimmt. Faseroptische Sensoren können daher in explosionsgefährdeter Umgebung
verwendet werden.
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Darüber hinaus sind faseroptische Sensoren klein, weit-
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korrosionsbeständig und wegen des Fehlens elektrischer Übertragungsleitungen unempfindlich
gegen jede Art von elektromagnetischen Störfeldern. Da faseroptische Sensoren aus
isolierendem Material aufgebaut sind, können sie bei hohen elektrischen Spannungen
und magnetischen Feldern eingesetzt werden.
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Es ist ein faseroptischer Temperatursensor bekannt, dem als Sensor
ein homogener Lichtwellenleiter zugeordnet ist. Dieser Temperatursensor beruht auf
der Erkenntnis, daß die numerische Apertur eine Funktion der Brechzahlen von Kern
und Mantel und somit temperaturabhängig ist. Die Anzahl der geführten Wellen in
einem Lichtwellenleiter und damit die Intensität hängt von der numerischen Apertur
des Lichtwellenleiters ab. Je höher die numerische Apertur ist, desto mehr Wellen
sind ausbreitungsfähig. Der Ort mit der geringsten numerischen Apertur begrenzt
die durch den Lichtwellenleiter übertragbare Lichtintensität, so daß dieser homogene
Lichtwellenleiter in seiner gesamten Länge als Temperatursensor wirkt (Laser und
Optoeletronik Nr. 3, 1983, Seite 228).
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Ferner ist ein Temperatursensor bekannt, der zwei Lichtleiter, eine
Lichtquelle, eine temperaturabhängige Blende und ein Lichtmeßgerät enthält. Der
erste Lichtleiter ist an einem Ende mit der Lichtquelle versehen und das andere
Ende ist in unmittelbarer Nähe der temperaturabhängigen Blende angeordnet. Der zweite
Lichtleiter ist an einem Ende mit dem Lichtmeßgerät versehen und das andere Ende
ist ebenfalls in unmittelbarer Nähe der temperaturabhängigen Blende angeordnet.
Die beiden Enden der Lichtleiter, die die Blende einschließen, sind axial einander
gegenüber angeordnet. Diese beiden Enden der Lichtleiter und die Blende sind vorzugsweise
gekapselt
und sind beispielsweise an einer hochspannungsführenden Wicklung eines Transformators
angebracht. Mit diesem Temperatursensor kann man die Temperatur von elektrischen
Geräten unter Hochspannung während des Betriebes messen (DE-PS 24 54 669). Da dieser
Temperatursensor unmittelbar der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird, ist der
Temperaturbereich des Temperatursensors klein. Außerdem ist dieser Temperatursensor
gegen größere Erschütterungen empfindlich, da als temperaturabhängige Blende ein
gläsernes Thermometer vorgesehen ist, das unmittelbar mit einem Meßobjekt verbunden
ist. Im Störungsfall kann man diesen Temperatursensor weder reparieren noch austauschen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen
Temperatursensor anzugeben, der kompakt und einfach aufgebaut und preiswert ist.
Außerdem soll eine nahezu beliebige Entfernung zwischen Sensor und Auswerteelektronik
möglich sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Das Bimetall ist thermisch mit einem Meßobjekt verbunden
und die Halterungen-der Lichtleitfasern sind derart angeordnet, daß bei der tiefsten
Temperatur des Meßobjektes die beiden Stirn flächen der Enden der Lichtleitfasern
axial angeordnet sind. Somit ist die Transmission dieser Anordnung am größten. Mit
steigender Temperatur krümmt sich das Bimetall und die beiden Stirnflächen der Enden
der Lichtleltfasern'bestimmen nun einen Winkel, der von der Krümmung des Bimetalls
abhängig ist. Somit wird die Lichttransmission, die ein Maß für die Temperatur des
Meßobjektes ist, geschwächt. Der Meßbereich dieses faseroptischen Temperatursensors
wird durch die Länge des Bimetalls vorbestimmt. Man wählt die Länge des
Bimetalls
so, daß die gemessene Intensität des empfangenen Lichtes bei der Höchsttemperatur
des Meßobjektes ein Minimum aufweist. Somit erhält man einen kompakten, einfach
aufgebauten und preiswerten faseroptischen Temperatursensor, der beispielsweise
zum Messen der Temperatur von unter Spannung stehenden Anlagenteilen, insbesondere
Schaltstücken in Leistungsschaltern, vorgesehen ist.
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Außerdem kann man die Temperatur von Objekten messen, die sich in
explosionsgefährdeter Umgebung befinden. An die Lichtquelle dieses faseroptischen
Temperatursensors braucht man keine hohen Anforderungen, beispielsweise Stabilität
oder Intensität des Lichtes, stellen, da Intensitätsschwankungen mit Hilfe eines
von der Lichtquelle erzeugten Referenzsignals eliminiert werden.
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Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genomen, in
der ein Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Temperatursensors nach der Erfindung
schematisch veranschaulicht ist.
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In der dargestellten Ausführungsform enthält ein faseroptischer Temperatursensor
eine Lichtquelle 2, zwei Lichtleitfasern 4 und 6, einen Fotoempfänger 8 und eine
Auswerteelektronik 10. Das eine Ende 12 der ersten Lichtleitfaser 4 ist mit der
Lichtquelle 2 und das eine Ende 14 der zweiten Lichtleitfaser 6 mit einem Fotoempfänger
8, der beispielsweise eine Fotodiode ist, verbunden. Außerdem ist die Lichtquelle
2 mit Hilfe einer Lichtleitfaser 5 mit der Auswerteelektronik 10 verbunden. Die
beiden anderen Bereiche 16 und 18 der Enden der ersten und zweiten Lichtleitfaser
4 und 6 sind jeweils mit einer Halterung 20 bzw. 22 versehen.
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Die Halterungen 20 und 22 sind auf einem Bimetall 24
angeordnet.
Außerdem ist zwischen dem Bimetall 24 und den Halterungen 20 und 22 jeweils ein
Wärmeisolator 30 vorgesehen und zwischen den beiden Halterungen 20 und 22 jeweils
ein freies Ende 32 und 34 der ersten und zweiten Lichtleitfaser 4 und 6. Die Stirn
flächen 26 und 28 der einander gegenüber angeordneten freien Enden 32 und 34 der
ersten und zweiten Lichtleitfaser 4 und 6 sind axial zueinander angeordnet. Als
Lichtquelle 2 ist beispielsweise eine Glühlampe, vorzugsweise ein Laser, insbesondere
eine lichtemittierende Diode LED, vorgesehen. Das Bimetall 24 ist mit bekannten
Mitteln auf einem Meßobjekt befestigt. Bei tiefster Temperatur des Meßobjektes,
beispielsweise ein Schaltstück eines Leistungsschalters während des Betriebs, sind
die Stirnflächen 26 und 28 axial zueinander angeordnet und der Transmissionswert
des von der Lichtquelle 2 abgestrahlten Lichtes hat seinen Höchstwert. Die Fotodiode
8 mißt in diesem Fall den Höchstwert der Intensität. Wenn nun infolge des Betriebs
des Leistungsschalters die Temperatur, beispielsweise des Schaltstücks, steigt,
so krümmt sich das Bimetall 24. Infolge der Krümmung des Bimetalls 24 bilden die
freien Enden 32 und 34 einen Winkel. Somit wird mindestens eine Stirnfläche 26 oder
28 aus der Ausgangslage verrückt und die Lichttransmission geschwächt. Diese Schwächung
der Transmission des Lichtes wird von der Fotodiode 8 gemessen und die Auswerteelektronik
10, die beispielsweise ein Mikrocomputer sein kann, ordnet jeweils einer gemessenen
Intensität einen Temperaturwert zu. Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 2 werden
mit Hilfe eines von der Lichtquelle 2 erzeugten Referenzsignales eliminiert, das
mit Hilfe der Lichtleitfaser 5 zur Auswerteelektronik 10 gelangt. Der Meßbereich
dieses faseroptischen Temperatursensors wird durch die Länge des Bimetalls 24 bestimmt.
Man wählt die Länge des Bimetalls 24 so, daß
die gemessene Intensität
des empfangenen Lichtes bei der Höchsttemperatur des Meßobjektes ein Minimum aufweist.
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Durch diese Gestaltung erhält man einen kompakten und preiswerten
faseroptischen Temperatursensor, der an spannungsführenden Teilen, vorzugsweise
an Schaltstükken von Leistungsschaltern, eingesetzt wird. Außerdem können Lichtleitfasern
bis zu 1 km Länge verwendet werden.
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1 Patentanspruch 1 Figur
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