DE3511185A1

DE3511185A1 - Temperaturmessanordnung

Info

Publication number: DE3511185A1
Application number: DE19853511185
Authority: DE
Inventors: John Philip Romsey Hampshire Dakin
Original assignee: Plessey Overseas Ltd Ilford Essex; Plessey Overseas Ltd
Current assignee: Roke Manor Research Ltd
Priority date: 1984-03-28
Filing date: 1985-03-27
Publication date: 1985-10-10
Also published as: GB8407945D0; GB2156513B; US4673299A; DE3511185C2; GB2156513A

Description

PRINZ, LEISER, BUNKE" ■&- FARTNER

Patentanwälte · European Patent Attorneys 3 51 1 18

München Stuttgart

'S

PLESSEY OVERSEAS LIMITED 27. März 1985

2-60 Vicarage Lane

Ilford, Essex IGI 4AQ / Großbritannien

Unser Zeichen: P 3011

Temperaturmeßanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturmeßanordnung, insbesondere auf eine mit einem Lichtleitfaser-Temperaturfühler arbeitende Temperaturmeßanordnung zum Feststellen der Temperaturverteilung über einen relativ langen Weg (beispielsweise 50 m bis 10 km).

Nach einem Aspekt der Erfindung ist eine Temperaturmeßanordnung gekennzeichnet durch einen relativ langen Lichtleitfaser-Temperaturfühler, der längs seiner Länge mit einem Material dotiert ist, das Licht temperaturabhängig absorbiert, einer Vorrichtung zum gleichzeitigen Einstrahlen von Lichtimpulsen mit zwei verschiedenen Wellenlängen in ein Ende des Lichtleitfaser-Temperaturfühlers und einer Vorrichtung zum Vergleichen von zeitlichen Schwankungen der zwei verschiedenen Wellenlängen des längs der Fühler-

Schw/Rp - COPY

- Ji -

faser rückgestreuten Lichts zur Erzielung einer Anzeige der Temperaturverteilung längs der Fühlerfaser.

Die zwei Wellenlängen der in die Fühlerfaser eingestrahlten Lichtimpulse sind so gewählt, daß sie unterschiedlichen Absorptionsbändern des dotierten Materials entsprechen (d.h. Bändern, die abhängig von der Temperatur unterschiedliche Schwankungen der Lichtabsorption erzeugen). Durch Vergleichen der Absorptionen bei .verschiedenen Wellenlängen können alle Schwankungen der Dotierungskonzentration längs der Fühlerfaser kompensiert werden.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist eine

Temperaturmeßanordnung, gekennzeichnet durch einen relativ langen Lichtleitfaser-Temperaturfühler, der entlang seiner Länge mit einem Material dotiert ist, das als Reaktion auf die Absorption von Licht in Abhängigkeit von der Temperatur fluoresziert, eine Vorrichtung zum Einstrahlen

von Lichtimpulsen in ein Ende der Fühlerfaser und eine Vorrichtung zum Feststellen der zeitlichen Schwankungen der Kegel des fluoreszierenden Lichts, das von dem dotierten Material als Reaktion auf die Lichtimpulse ausgestrahlt

wird, das zum Einstrahlende der Fühlerfaser zurückkehrt. 25

Diese Ausführungsform ist in Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial (beispielsweise ein Seltenerd-Material) der Fühlerfaser eine Rückstrahlemission der absorbierten Lichtenergie (d.h. Fluoreszenz)

mit einer Wellenlänge erzeugt, die größer als die der in die Fühlerfaser eingestrahlten Lichtimpulse ist, wobei die Wellenlänge dieser Lichtimpulse und das Dotierungsmaterial so gewählt sind, daß der Lichtinhalt der Lichtimpulse, wenn diese das vom Einstrahlende entfernt liegende

Ende der Fühlerfaser erreichen, immer noch einen ausreichenden Wert hat, auch nachdem die Absorption des Lichts durch

- Tr -

das Dotierungsmaterial der Fühlerfaser stattgefunden hat. Temperaturabhängige Schwankungen der Pegel der Fluoreszenzemission längs der Fühlerfaser können ohne weiteres am Einstrahlende der Fühlerfaser festgestellt werden, indem ° Techniken angewendet werden, die denen gleichen, die normalerweise zur optischen Reflexionsmessung im Zeitbereich angewendet werden. Das Fluoreszenzlicht, das zum Einstrahlende der Fühlerfaser zurückkehrt, kann in einem einzigen schmalen Wellenlängenbereich gemessen werden, doch wird

¹^ das fluoreszierende Licht vorzugsweise bei zwei Wellenlängen oder in zwei speziellen Wellenlängenbereichen gleichzeitig gemessen, damit alle Schwankungen der Dotierungsmaterialkonzentration längs der Fühlerfaser kompensiert werden. Wenn nur eine Wellenlänge gemessen wird,

¹^ werden die Schwankungen der Pegel des rückgestrahlten fluoreszierenden Lichts dazu benutzt, TemperaturSchwankungen längs der Fühlerfaser abzuleiten, während bei der Messung von zwei Wellenlängen die Schwankungen des Verhältnisses der Pegel des rückgestrahlten fluoreszierenden

Lichts zur Ableitung der Temperaturverteilung benutzt werden. Im Falle der Messung von zwei Wellenlängen müssen die zwei Wellenlängen offensichtlich so gewählt werden, daß eine relative Pegeldifferenz zwischen den temperaturabhängigen Fluoreszenzemissionen bei diesen Wellenlängen auftritt. Unabhängig davon, ob die Messung einer Wellenlänge oder die Messung von zwei Wellenlängen vorgenommen wird, werden die eine oder die zwei gewählten Wellenlängen während der Rückkehr des Lichts zu Detektorvorrichtungen am Einstrahlende der Fühlerfaser einer niedrigen Absorp-

tion ausgesetzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Anordnung zum

Messen der Temperaturverteilung längs eines

- 4t -Lichtleitfaser-Temperaturfühlers.

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform einer Temperaturverteilungs-Meß-" anordnung und

Fig. 3 und 4 Diagramme logarithmischer Werte des rückgestreuten Lichts in Abhängigkeit von der Zeit

bei den Anordnungen gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2. 10

Nach Figur 1 der Zeichnung enthält die Temperaturverteilung s-Meßanordnung zwei Laser 1 und 2, die durch elektrische Impulse betätigt werden, die von einer Impulsgeneratoreinheit 3 über eine elektrische Stromteilervor-

¹^ richtung 4 kommen. Die Laser 1 und 2 erzeugen demnach Lichtimpulse mit unterschiedlichen Wellenlängen W1 und W2. Diese Lichtimpulse werden in einen Energiekombinator 5 (beispielsweise ein Faser-T oder einen diskreten Würfel-Strahlkombinator) eingegeben, damit die Impulse gleich-

^O zeitig in einen Lichtleitfaserfühler 6 (Monomoden-Faser oder Multimoden-Faser) eingestrahlt werden, nachdem sie über herkömmliche Verbindungs-Lichtleitfasern 7 und 8 und optische Verbinder 9 und 10 übertragen worden sind. Die Langer der Fühlerfaser 6, die eine ähnliche Geometrie und

^° eine numerische öffnung wie die herkömmliche Verbindungsfaser 8 hat, wird entsprechend der Weglänge oder der Ausdehnung eines zu überwachenden Bereichs im speziellen Anwendungsfall der Temperaturmeßanordnung (beispielsweise der Prozeßsteuerung, Feuer- und überhitzungserfassung, thermische Erfassung usw.) vorherbestimmt. Die Überwachung von Faserweglängen von 50 m bis 10 km ist jedoch beabsichtigt.

Die Fühlerfaser 6, die aus Siliziumdioxid bestehen kann,

ist entlang ihrer Länge mit einem Material (beispielsweise Neodym oder Europium) dotiert, das einen kleinen Anteil des Lichtinhalts der Lichtimpulse bei ihrer Wanderung

längs der Faser in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung längs der Faser absorbiert. Die Wellenlängen W1 und W2 der gleichzeitig auftretenden Lichtimpulse sind jedoch so gewählt, daß sie unterschiedlichen Absorptionsbändern in der Fühlerfaser entsprechen und dadurch unterschiedliche Schwankungen der Absorption in Abhängigkeit von der Temperatur hervorrufen. Auf diese Weise werden alle Schwankungen der Dotierungskonzentration längs der Fühlerfaser 6 kompensiert.

Wenn die gleichzeitig auftretenden Lichtimpulse der Wellenlängen W1 und W2 längs der herkömmlichen Faser 8, durch den Verbinder 10 und dann längs der Fühlerfaser 6 wandern, werden die Lichtimpulse gedämpft, und was die Dämpfung der jeweiligen Lichtimpulse längs der Fühlerfaser 6 anbelangt, erfolgt diese Dämpfung abhängig von Temperaturänderungen längs der Fühlerfaser. Ein Anteil des Lichtinhalts der Impulse wird längs der Fühlerfaser 6 als rückgestreutes Licht reflektiert, und die Wellenlängen der Lichtimpulse

sind in bezug auf das Dotierungsmaterial der Fühlerfaser und der auf die Faser einwirkenden Temperaturen so gewählt, daß der Pegel des rückgestreuten Lichts, auch des vom entfernt liegenden Ende der Fühlerfaser 6 rückgestreuten Lichts, einen brauchbaren, erfaßbaren Pegel hat. Wie zu

erkennen ist, nimmt der Pegel des rückgestreuten Lichts mit der Zunahme der Lichtabsorption mit der Temperatur durch das Dotierungsmaterial der Fühlerfaser ab, so daß folglich die zeitlichen Schwankungen zwischen dem rückgestreuten Licht mit den zwei Wellenlängen und der Ver-

gleich zwischen diesen Schwankungen eine Anzeige der Temperaturverteilung längs der Fühlerfaser 6 ergeben.

Zu diesem Zweck wandert das rückgestreute Licht mit den zwei Wellenlängen längs der Fühlerfaser 6, durch den Ver-

binder 10, die herkömmliche Faser 8 und und den Verbinder 9 über eine Lichtleitfaser 12 zu einem Wellenlängen-

separator 11 (beispielsweise einem dichroitischen Spiegel oder einem Beugungsgitter-Dichromator) zurück. Die optischen Ausgangssignale mit den Wellenlängen W1 und W2 g aus dem Separator 11 werden Detektoren 13 und 14 zugeführt, und entsprechende elektrische Ausgangssignale dieser Detektoren werden dann mit Hilfe eines Komparators 15 verglichen, damit das Verhältnis zwischen den detektierten Werten bestimmt und eine Anzeige der Temperatur- -Q Verteilung längs der Fühlerfaser erhalten wird.

Figur 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Werte des rückgestreuten Lichts logarithmisch abhängig von der Zeit aufgetragen sind, die der von den Lichtimpulsen längs

₁,- der Fühlerfaser 6 durchlaufenden Strecke proportional ist. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit und zur Vereinfachung des Verständnisses wird angenommen, daß zwei Abschnitte der Fühlerfaser 6 gleichmäßigen Temperaturen T1 bzw. T2 ausgesetzt sind. Wie zu erkennen ist, können die Schwankungen

2Q des Verhältnisses des rückgestreuten Lichts mit oder bei den Wellenlängen W1 und W2 bei den zwei Temperaturen T1 und T2 zur Erzielung einer Anzeige der Temperaturverteilung längs der Fühlerfaser verwendet werden. Ferner ist zu erkennen, daß der Lichtinhalt der Impulse am entfernt liegenden Ende der Fühlerfaser, wo Reflexionen R stattfinden, immer noch einen ausreichend hohen Pegel haben, damit ein brauchbarer Pegel des rückgestreuten Lichts zum Zwecke der Erfassung gewährleistet ist. Wie außerdem gezeigt ist, können an der Schnittstelle des Verbinders 10

3Q und der Fühlerfaser 6 Reflexionen P auftreten.

Nach Figur 2 der Zeichnung enthält die Temperaturverteilungs-Meßanordnung einen gepulsten Laser 16, der einen Ausgangslichtimpuls mit der Wellenlänge W1 erzeugt, der in ein Ende einer geeignet dotierten Fühlerfaser 17 eingestrahlt wird, nachdem er längs einer optischen Faser

-TP-

und durch einen ersten Verbinder sowie längs einer optischen Faser 20 und einen zweiten Verbinder 21 gewandert ist. Die Fühlerfaser 17 ist mit einem Licht zum Teil absorbierenden Material dotiert, das eine Fluoreszenzemission erzeugt, die nach der Absorption des Lichts mit der Wellenlänge W1 mittig bei den Wellenlängen W2 und W3 liegen.

Der relative Pegel des Fluoreszenzlichts mit den Wellenlängen W2 und W3 hängt vom Lichtabsorptionspegel bei der Wellenlänge 1 ab, der seinerseits von der Temperatur der Fühlerfaser 17 abhängt. Das längs der Fühlerfaser 17 und die herkömmliche Lichtleitfaser 20 zurückkehrende Fluoreszenzlicht mit den Wellenlängen W2 und W3 wird durch den Verbinder 19 über eine Lichtleitfaser 23 in ein Doppelwellenlängen-Selektionsfilter 22 gelenkt. Die Ausgangssignale mit den Wellenlängen W2 und W3 des Selektionsfilters 22 werden an Detektoren 24 und 25 angelegt; das Verhältnis dieser Ausgangssignale wird durch einen Ver-

hältnismesser 26 bestimmt, der demgemäß eine Anzeige der zeitlichen Temperaturschwankungen längs der Fühlerfaser 17 ergibt.

Wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung bewirkt die Erfassung des zurückkehrenden Lichts bei zwei verschiedenen Wellenlängen die Kompensation aller Schwankungen der Dotierungsmittelkonzentration längs der Fühlerfaser.

Figur 4 zeigt ein ebensolches Diagramm wie in Figur 3, jedoch für den Fall der Fluoreszenzdetektionsanordnung von Figur 2. Wie aus dem Diagramm von Figur 4 hervorgeht, wird aus Gründen der Einfachheit angenommen, daß die

Fühlerfaser 17 aus zwei Abschnitten mit den jeweiligen 35

Temperaturen T1 und T2 besteht; die Rückstrahlung des Fluoreszenzlichts aus diesen Faserabschnitten in zwei

mittig um die Wellenlängen W2 und W3 liegenden Wellenlängenbereichen ist zusammen mit den Reflexionen R1 und P1 vom entfernt liegenden Faserende bzw. von der Grenzfläche zwischen dem Verbinder und der Fühlerfaser darge-5

stellt. Es ist zu erkennen, daß bei dieser Ausführung der Pegel des zurückkommenden Fluoreszenzlichts aus der herkömmlichen Lichtleitfaser 20 wesentlich niedriger als der entsprechende Pegel des reflektierten Lichts nach Figur 3 ist. Dies ist auf die niedrige Fluoreszenz der herkömmli-

chen Faser 20 im folgenden Ausführungsbeispiel zurückzuführen.

Es sei erwähnt, daß die Temperaturmeßanordnungen nach der Erfindung, die oben beschrieben worden sind, wesent-

der Temperaturverteilung längs Lichtleitfasern ergeben. In den bekannten Systemen können Fehler bei der Temperatur- ■ messung aufgrund der Anwesenheit von festen Verunreinigungsteilchen (beispielsweise Staub) oder Luftblasen 20

innerhalb flüssigkeitsgefüllter Fühlerfasern auftreten, und alle Schwankungen der Dämpfung, des Durchmessers oder der numerischen öffnung der flüssigkeitsgefüllten Fühlerfaser führen zu einer Beeinflussung der Temperaturmessung.

In einer anderen bekannten Vorrichtung wird eine Anzahl 25

von Faser/Filter-Verbindungen benutzt, die unter einer relativ hohen Dämpfung leiden, und überdies ergibt diese Anordnung ein Verfahren zum Messen der Temperaturen an eine Reihe von Punkten längs des Fühlers anstelle der Temperaturverteilung längs einer Fühlerfaser. Außerdem können in anderen bekannten Anordnungen Dotierungskonzentrationsschwankungen längs der Fühlerfaser ungenaue Temperaturverteilungsmessungen bewirken.

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Claims

PRINZ, LEISER, BUNKE:&-PARTNER Patentanwälte · European Patent Attorneys ο C 1 Λ 1 O C München Stuttgart PLESSEY OVERSEAS LIMITED 27. März 1985 2-60 Vicarage Lane Ilford, Essex IG1 4AQ / Großbritannien Unser Zeichen: P 3011 Patentansprüche

1. Temperaturmeßanordnung, gekennzeichnet durch einen relativ langen Lichtleitfaser-Temperaturfühler, der längs seiner Länge mit einem Material dotiert ist, das Licht temperaturabhängig absorbiert, eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Einstrahlen von Lichtimpulsen mit zwei verschiedenen Wellenlängen in ein Ende des Lichtleitfaser-Temperaturfühlers und eine Vorrichtung zum Vergleichen von zeitlichen Schwankungen der zwei verschiedenen Wellenlängen des längs der Fühlerfaser rückgestreuten Lichts zur Erzielung einer Anzeige der Temperaturverteilung längs der Fühlerfaser, wobei die zwei Wellenlängen der in die Fühlerfaser eingestrahlten Lichtimpulse so gewählt sind, daß sie unterschiedlichen Absorptionsbändern des dotierten Materials entsprechen.

2. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen jeweils von Lasern abgeleitet werden, die mit Hilfe von elektrischen Impulsen aus einer Impulsgeneratorvorrichtung gleichzeitig impulsförmig angesteuert werden.

Schw/Rp

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3. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtausgangsimpulse der zwei Laser in eine Energiekombinationseinheit eingespeist werden, die die Impulse gleichzeitig in die Fühlerfaser eingibt.

4. Temperaturmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das längs der Fühlerfaser rückgestreute Licht mit den zwei verschiedenen Wellenlängen in eine Wellenlängentrennvorrichtung eingespeist wird, die Ausgangssignale mit den zwei verschiedenen Wellenlängen erzeugen, die dann jeweils an optoelektrische Detektoren angelegt werden, die elektrische Ausgangssignale erzeugen, die in Komparatorvorrichtungen zur Bestimmung des Verhältnisses zwischen den detektierten AusgangsSignalen und zur Erzeugung einer Anzeige der Temperaturverteilung längs der Fühlerfaser eingegeben werden.

5. Temperaturmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial Neodym oder Europium ist.

6. Temperaturmeßanordnung, gekennzeichnet durch einen relativ langen Lichtleitfaser-Temperaturfühler, der entlang seiner Länge mit einem Material dotiert ist, das als Reaktion auf die Absorption von Licht in Abhängigkeit von der Temperatur fluoresziert, eine Vorrichtung zum Einstrahlen von Lichtimpulsen in ein Ende der Fühlerfaser _und eine Vorrichtung zum Feststellen der zeitlichen Schwankungen der P.egel des fluoreszierenden Lichts, das von dem dotierten Material als Reaktion auf die Lichtimpulse ausgestrahlt wird, das zum Einstrahlende der Fühlerfaser

zurückkehrt.
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7. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial (beispielsweise

ein Seltenerd-Material) der Fühlerfaser eine Rückstrahlerais sion der absorbierten Lichtenergie mit einer Wellenlänge erzeugt, die größer als die der in die Fühlerfaser eingestrahlten Lichtimpulse ist, wobei die Wellenlänge dieser Lichtimpulse und das Dotierungsmaterial so gewählt sind, daß der Lichtinhalt der Lichtimpulse, wenn diese das vom Einstrahlende entfernt liegende Ende der Fühlerfaser erreichen, immer noch einen ausreichenden Wert hat, auch nachdem die Absorption des Lichts durch das Dotierungsmaterial der Fühlerfaser stattgefunden hat.

8. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Einstrahlende der Fühlerfaser zurückkehrende fluoreszierende Licht in einem einzigen schmalen Wellenlängenbereich gemessen wird.

9. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das fluoreszierende Licht in zwei Wellenlängen oder speziellen Wellenlängenbereichen gleichzeitig gemessen wird, damit alle Schwankungen der Dotierungsmaterialkonzentration längs der Fühlerfaser kompensiert werden, wobei die Schwankungen der Pegelverhältnisse des zurückgestrahlten fluoreszierenden Lichts

zur Ableitung der Temperaturverteilung benutzt werden. 25

10. Temperaturmeßanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtimpulse einer Wellenlänge durch einen gepulsten Laser erzeugt und in

die Fühlerfaser eingestraht werden. 30

11. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Einstrahlende der Fühlerfaser zurückgestrahlte fluoreszierende Licht einer Filtervorrichtung zugeführt wird, die Lichtausgangssignale mit zwei verschiedenen Wellenlängen erzeugt und in der diese Lichtausgangssignale jeweils an optoelektrische Detektoren

angelegt werden, die elektrische Ausgangssignale erzeugen, die dann mit Hilfe eines Verhältnismessers zur Erzielung einer Anzeige der zeitlichen Temperaturschwan-•kungen längs der Fühlerfaser miteinander verglichen ■ weiden.