DE3511185C2

DE3511185C2 -

Info

Publication number: DE3511185C2
Application number: DE3511185A
Authority: DE
Inventors: John Philip Romsey Hampshire Gb Dakin
Original assignee: Roke Manor Research Ltd
Current assignee: Roke Manor Research Ltd
Priority date: 1984-03-28
Filing date: 1985-03-27
Publication date: 1991-12-05
Also published as: GB2156513A; GB2156513B; DE3511185A1; GB8407945D0; US4673299A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturmeßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner bezieht sie sich auf eine Temperaturmeßanordnung gemäß dem Oberbetriff des Patentanspruchs 6.

Temperaturmeßanordnungen dieser Art sind aus der US-PS 43 02 970 bekannt. Bei der bekannten Temperaturmeßanordnung wird ein Lichtleiter verwendet, der mit einem Material dotiert ist, das Licht temperaturabhängig absorbiert. Dabei ist angegeben, daß in den Lichtleiter Licht mit zwei verschiedenen Wellenlängen eingespeist wird. Nur eine der beiden verschiedenen Wellenlängen liegt dabei in einem Absorptionsband des Dotierungsmaterials. Die Auswertung des Lichts erfolgt an dem dem Einspeisungsende gegenüberliegenden Ende, an dem ein Detektor angebracht ist. Das von diesem Detektor erfaßte Licht wird mit dem eingespeisten Licht verglichen, und durch geeignete Brechung kann die Temperatur des vom Lichtleiter gebildeten Temperaturfühlers bestimmt werden.

Die bekannte Anordnung ist ausschließlich dazu bestimmt und auch ausschließlich dazu geeignet, die Gesamttemperatur des Temperaturfühlers zu messen. Die Anzeige der Temperatur verschiedener Abschnitte längs des Lichtleiters ist dagegen nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Temperaturmeßanordnungen der eingangs geschilderten Art zu schaffen, mit deren Hilfe die Temperaturverteilung längs eines Lichtleiters bestimmt werden kann.

Bei der Temperaturmeßanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bei dieser Ausführungsform der Temperaturmeßanordnung werden längs des Lichtleiters Lichtimpulse mit unterschiedlichen Wellenlängen übertragen, und es wird das rückgestreute oder reflektierte Licht in seiner zeitlichen Beziehung erfaßt. Dadurch ist es möglich, die Temperaturen an verschiedenen Abschnitten zu bestimmen.

Bei der Temperaturmeßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruchs 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Bei dieser Ausführungsform der Temperaturmeßanordnung wird im Lichtleiter ein Dotierungsmaterial verwendet, das Fluoreszenzlicht erzeugt. In diesem Fall wird dann das Fluoreszenzlicht längs der Faser rückgestreut, und die Pegelschwankungen des rückgestreuten Lichts können in ihrer zeitlichen Lage erfaßt werden, was ebenfalls die Bestimmung der Temperaturverteilung längs des Lichtleiters ermöglicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Temperaturmeßanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform einer Temperaturmeßanordnung nach der Erfindung und

Fig. 3 und 4 Diagramme logarithmischer Werte des rückgestreuten Lichts in Abhängigkeit von der Zeit in den Temperaturmeßanordnungen nach Fig. 1 bzw. Fig. 2.

Nach Fig. 1 der Zeichnung enthält die Temperaturverteilungs- Meßanordnung zwei Laser 1 und 2, die durch elektrische Impulse betätigt werden, die von einem Impulsgenerator 3 über einen elektrischen Stromteiler 4 kommen. Die Laser 1 und 2 erzeugen demnach Lichtimpulse mit unterschiedlichen Wellenlängen W1 und W2. Diese Lichtimpulse werden in eine Energiekombinationseinheit 5 (beispielsweise ein Faser-T oder einen diskreten Würfel- Strahlkombinator) eingegeben, damit die Impulse gleichzeitig in einen Lichtleiter 6 (Monomoden-Faser oder Multimoden-Faser) eingestrahlt werden, nachdem sie über herkömmliche Verbindungs-Lichtleiter 7 und 8 und optische Verbinder 9 und 10 übertragen worden sind. Die Länge des Lichtleiters 6, der eine ähnliche Geometrie und eine numerische Öffnung wie herkömmliche Verbindungs-Lichtleiter 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 Lichtleiterlängen von 50 m bis 10 km ist jedoch beabsichtigt.

Der Lichtleiter 6, der aus Siliziumdioxid bestehen kann, ist entlang seiner Länge mit einem Material (beispielsweise Neodym oder Europium) dotiert, das einen kleinen Anteil des Lichtinhalts der Lichtimpulse bei ihrer Wanderung längs des Lichtleiters in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung längs des Leiters absorbiert. Die Wellenlängen W1 und W2 der gleichzeitig auftretenden Lichtimpulse sind jedoch so gewählt, daß sie unterschiedlichen Absorptionsbändern in dem Lichtleiter entsprechen und dadurch unterschiedliche Schwankungen der Absorption in Abhängigkeit von der Temperatur hervorrufen. Auf diese Weise werden alle Schwankungen der Dotierungskonzentration längs des Lichtleiters 6 kompensiert.

Wenn die gleichzeitig auftretenden Lichtimpulse der Wellenlängen W1 und W2 längs des herkömmlichen Lichtleiters 8, durch den Verbinder 10 und dann längs des Lichtleiters 6 wandern, werden die Lichtimpulse gedämpft, und was die Dämpfung der jeweiligen Lichtimpulse längs des Lichtleiters 6 anbelangt, erfolgt diese Dämpfung abhängig von Temperaturänderungen längs des Lichtleiters. Ein Anteil des Lichtinhalts der Impulse wird längs des Lichtleiters 6 als rückgestreutes Licht reflektiert, und die Wellenlängen der Lichtimpulse sind in bezug auf das Dotierungsmaterial des Lichtleiters und der auf die Faser einwirkenden Temperaturen so gewählt, daß das rückgestreute Licht, auch das vom entfernt liegenden Ende des Lichtleiters 6 rückgestreute Licht, 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 des Lichtleiters ab, so daß folglich die zeitlichen Schwankungen zwischen dem rückgestreuten Licht mit den zwei Wellenlängen und der Vergleich zwischen diesen Schwankungen eine Anzeige der Temperaturverteilung längs des Lichtleiters 6 ergeben.

Zu diesem Zweck wandert das rückgestreute Licht mit den zwei Wellenlängen längs des Lichtleiters 6, durch den Verbinder 10, der herkömmlichen Verbindungs-Lichtleiter 8 und und den Verbinder 9 über einen Lichtleiter 12 zu einer Wellenlängentrennvorrichtung 11 (beispielsweise einem dichroitischen Spiegel oder einem Beugungsgitter-Dichromator) zurück. Die optischen Ausgangssignale mit den Wellenlängen W1 und W2 aus der Wellenlängentrennvorrichtung 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 Temperaturverteilung längs des Lichtleiters 6 erhalten wird.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Werte des rückgestreuten Lichts logarithmisch abhängig von der Zeit aufgetragen sind, die der von den Lichtimpulsen längs des Lichtleiters 6 durchlaufenden Strecke proportional ist. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit und zur Vereinfachung des Verständnisses wird angenommen, daß zwei Abschnitte des Lichtleiters 6 gleichmäßigen Temperaturen T1 bzw. T2 ausgesetzt sind. Wie zu erkennen ist, können die Schwankungen 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 des Lichtleiters verwendet werden. Ferner ist zu erkennen, daß die Intensität der Lichtimpulse am entfernt liegenden Ende des Lichtleiters, wo Reflexionen R stattfinden, immer noch einen ausreichend hohen Pegel hat, damit ein brauchbarer Pegel des rückgestreuten Lichts zum Zwecke der Erfassung gewährleistet ist. Wie außerdem gezeigt ist, können an der Schnittstelle des Verbinders 10 und des Lichtleiters 6 Reflexionen P auftreten.

Nach Fig. 2 der Zeichnung enthält die Temperaturmeßanordnung einen gepulsten Laser 16, der einen Ausgangslichtimpuls mit der Wellenlänge W1 erzeugt, der in ein Ende eines geeignet dotierten, als Fühler dienenden Lichtleiters 17 eingestrahlt wird, nachdem er längs eines Lichtleiters 18 und durch einen ersten Verbinder sowie längs eines Lichtleiters 20 und einen zweiten Verbinder 21 gewandert ist. Der als Fühler dienende Lichtleiter 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 des Lichtleiters 17 abhängt. Das längs des Lichtleiters 17 und des herkömmlichen Lichtleiters 20 zurückkehrende Fluoreszenzlicht mit den Wellenlängen W2 und W3 wird durch den Verbinder 19 über einen Lichtleiter 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 Verhältnismesser 26 bestimmt, der demgemäß eine Anzeige der zeitlichen Temperaturschwankungen längs des als Fühler dienenden Lichtleiters 17 ergibt.

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

Fig. 4 zeigt ein ebensolches Diagramm wie in Fig. 3, jedoch für den Fall der Fluoreszenzdetektionsanordnung von Fig. 2. Wie aus dem Diagramm von Fig. 4 hervorgeht, wird aus Gründen der Einfachheit angenommen, daß der als Fühler dienende Lichtleiter 17 aus zwei Abschnitten mit den jeweiligen Temperaturen T1 und T2 besteht; die Rückstrahlung des Fluoreszenzlichts aus diesen Abschnitten in zwei mittig um die Wellenlängen W2 und W3 liegenden Wellenlängenbereichen ist zusammen mit den Reflexionen R1 und P1 vom entfernt liegenden Lichtleiterende bzw. von der Grenzfläche zwischen dem Verbinder und dem Lichtleiter dargestellt. Es ist zu erkennen, daß bei dieser Ausführung der Pegel des zurückkommenden Fluoreszenzlichts aus dem herkömmlichen Lichtleiter 20 wesentlich niedriger als der entsprechende Pegel des reflektierenden Lichts nach Fig. 3 ist. Dies ist auf die niedrige Fluoreszenz des herkömmlichen Lichtleiters 20 im folgenden Ausführungsbeispiel zurückzuführen.

Claims

1. Temperaturmeßanordnung mit einem einen Temperaturfühler bildenden, relativ langen Lichtleiter, der längs seiner Länge mit einem Material dotiert ist, das Licht temperaturabhängig absorbiert, und mit einer Vorrichtung zum Einspeisen von Lichtimpulsen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen in ein Ende des Lichtleiters, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichterfassungsvorrichtung (11, 13, 14, 15) vorgesehen ist, die dem Erfassen von Schwankungen des Pegels des längs des Lichtleiters (6) rückgestreuten Lichts mit den zwei Wellenlängen bezüglich der Rückkehrzeit des rückgestreuten Lichts zur Erzielung einer Anzeige der Temperaturverteilung längs des Lichtleiters (6) dient, und daß die zwei Wellenlängen der Lichtimpulse so gewählt sind, daß sie unterschiedlichen Absorptionsbändern des Dotierungsmaterials entsprechen.

2. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen jeweils von Lasern (1, 2) abgeleitet werden, die mit Hilfe von elektrischen Impulsen aus einer Impulsgeneratoreinheit (3) gleichzeitig impulsförmig angesteuert werden.

3. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtausgangsimpulse der zwei Laser (1, 2) in eine Energiekombinationseinheit (5) eingespeist werden, die die Impulse gleichzeitig in den Lichtleiter (6) eingibt.

4. Temperaturmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das längs des Lichtleiters (6) rückgestreute Licht mit den zwei verschiedenen Wellenlängen in eine Wellenlängentrennvorrichtung (11) eingespeist wird, die Ausgangssignale mit den zwei verschiedenen Wellenlängen erzeugt, die dann jeweils an optoelektrische Detektoren (13, 14) angelegt werden, die elektrische Ausgangssignale erzeugen, die in einem Komparator (15) zur Bestimmung des Verhältnisses zwischen den detektierten Ausgangssignalen und zur Erzeugung einer Anzeige der Temperaturverteilung längs des Lichtleiters (6) eingegeben werden.

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

6. Temperaturmeßanordnung mit einem einen Temperaturfühler bildenden, relativ langen Lichtleiter, der längs seiner Länge mit einem Material dotiert ist, das temperaturabhängig reagiert, und mit einer Vorrichtung zum Einspeisen von Lichtimpulsen in ein Ende des Lichtleiters, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichterfassungsvorrichtung (22, 24, 25, 26) vorgesehen ist, die dem Erfassen von Pegelschwankungen eines durch die Reaktion der Lichtimpulse mit dem Dotierungsmaterial erzeugten und längs des Lichtleiters (17) zurückgeleiteten Fluoreszenzlichts bezüglich der Rückkehrzeit des Fluoreszenzlichts dient, damit eine Anzeige der Temperaturverteilung längs des Lichtleiters (17) erzeugt wird.

7. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial (beispielsweise ein Seltenerd-Material) des Lichtleiters (17) eine Rückstrahlemission der absorbierten Lichtenergie mit einer Wellenlänge erzeugt, die größer als die der in den Lichtleiter (17) eingestrahlten Lichtimpulse ist, wobei die Wellenlänge dieser Lichtimpulse und das Dotierungsmaterial so gewählt sind, daß die Intensität der Lichtimpulse, wenn diese das vom Einstrahlende entfernt liegende Ende des Lichtleiters (17) erreichen, immer noch einen zur Anregung des Dotierungsmaterials ausreichenden Wert hat.

8. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Einstrahlende des Lichtleiters (17) zurückkehrende Fluoreszenz-Licht in einem einzigen schmalen Wellenlängenbereich gemessen wird.

9. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluoreszenz-Licht bei zwei Wellenlängen oder in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen gleichzeitig meßbar ist, um alle Schwankungen der Dotierungsmaterialkonzentration längs des Lichtleiters (17) zu kompensieren, wobei die Schwankungen der Pegelverhältnisse des zurückgestrahlten Fluoreszenz-Lichts zur Bestimmung der Temperaturverteilung benutzt werden.

10. Temperaturmeßanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtimpulse einer Wellenlänge durch einen gepulsten Laser (16) erzeugt und in den Lichtleiter (17) eingestrahlt werden.

11. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Einstrahlende des Lichtleiters zurückgestrahlte Fluoreszenz-Licht einem Filter (22) zugeführt wird, das Lichtausgangssignale mit zwei verschiedenen Wellenlängen erzeugt und von dem diese Lichtausgangssignale jeweils an optoelektrische Detektoren (24, 25) angelegt werden, die elektrische Ausgangssignale erzeugen, die einem Verhältnismesser (26) zur Bildung des Verhältnisses der Ausgangssignale als Anzeige der zeitlichen Temperaturschwankungen längs des Lichtleiters (17) eingebbar sind.