DE3811824A1 - Verfahren zur faseroptischen temperaturmessung sowie vorrichtung hierfuer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer faseroptischen Temperaturmessung, nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es gibt verschiedene Anwendungen, die ein nichtelektri­ sches Verfahren der Temperaturmessung erfordern. Diese umfassen, beispielsweise, gewisse medizinische Messungen und Temperaturmessungen, die an explosionsgefährdeten Orten oder unter dem Einfluß eines sehr starken elek­ trischen oder magnetischen Feldes durchgeführt werden. Optische und, insbesondere faseroptische Meßmethoden stellen eine Lösung für diese Anforderungen dar. Mit Hilfe der faseroptischen Technologie können Temperatur­ meßwertwandler (temperature transducers) extrem klein und zuverlässig ausgestaltet werden.

Gewisse Prozesse in der Industrie umfassen die Messung von sehr hohen Temperaturen; gleichzeitig müssen die verwendeten Temperaturwandler jedoch auch in der Lage sein, geringe Temperaturen zu messen, um, wenn der Pro­ zeß abgeschaltet oder angefahren wird, Information wie­ derzugewinnen bzw. zu erhalten.

Einige unterschiedliche Temperaturmeßverfahren, basie­ rend auf einer Faseroptiktechnologie, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diesen, obwohl kaum unterschied­ liche, mangelt es an der Möglichkeit einer gleichzeitigen Messung von hohen und niederen Temperaturen unter Ver­ wendung eines einzigen Temperaturwandlers. Ein Weg, diesen Nachteil zu überwinden ist die Verwendung der Temperaturabhängigkeit von Absorptionseigenschaften in Halbleitern. Ein solches Verfahren basierend auf Halb­ leitern einer Direktübergangsenergielücke (direct tran­ sition energy gap) ist in der PCT-Patentanmeldung WO 82 01 588 beschrieben. Jedoch ist die Absorptionsband­ flanke in Halbleitern des Direktübergangs sehr steil, was zu einer starken Abhängigkeit des meßbaren Tempera­ turbereiches von der Spektralbreite und Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle führt.

Aus der US-PS 43 76 890 ist ein Temperatursensor basie­ rend auf den Fluoreszenzeigenschaften von Verbindungs­ halbleitern (compound semiconductors) bekannt. Der sich hierin befindende Nachteil ist der, daß die Anregung des fluoreszierenden Materials eine Lichtquelle erfordert, die im UV-Bereich arbeitet, und schließt damit die An­ wendung von langen optischen Fasern aufgrund der damit verbundenen hohen Dämpfung aus.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der Nachteile der Technologie des Standes der Technik und das Erreichen einer vollständig neuen Art eines fa­ seroptischen Verfahrens und einer Vorrichtung für die Temperaturmessung.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung eines Halbleiterelements aus einem Material mit indi­ rekter Energielücke bzw. indirekter Bandlücke (indirect energy gap material) als das temperaturempfindliche Element, welches ständig auf einer Glasplatte angeordnet ist und vorteilhafterweise einen langsamen Abfall der Absorptionskurve erreicht, kombiniert mit der Verwendung einer Lichtquelle einer Wellenlänge, die kürzer ist als die Absorptionskurven-Schwellen-Wellenlänge (absorption curve threshold wavelength).

Genauer ist das Verfahren gemäß der Erfindung gekenn­ zeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1.

Weiterhin ist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6.

Die vorliegende Erfindung schafft hervorragende und weitreichende Vorteile.

Unter Verwendung einer geeignet ausgewählten Lichtquelle kann ein Temperaturbereich von mehreren hundert Kelvin erreicht werden. Das Verfahren ist nicht besonders auf Spektralbreiten der verwendeten Lichtquelle empfindlich, jedoch muß die Wellenlänge sehr sorgfältig gewählt wer­ den. Der Aufbau des Wandlers ist unkompliziert und kann leicht hergestellt werden. Die verwendeten Lichtquellen können im sichtbaren oder Infrarotbereich arbeiten, wo­ bei es möglich ist, relativ lange optische Fasern zu verwenden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Meßanordnung gemäß der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenschnittansicht, in der die Verbindung der optischen Fasern zu einem temperaturempfind­ lichen Element in einem Einbau gemäß der vorlie­ genden Erfindung dargestellt ist;

Fig. 4 eine Seitenschnittansicht eines Meßwertwandlers, gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der physikalischen Eigenschaften des Meßwertwandlers;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Lichtquelle, gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer weiteren Licht­ quelle, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird von einer Lichtquelle 10 emittiertes Licht über eine optische Faser 12 zu einem Meßwertwand­ ler (transducer) 14 geführt. Der Meßwertwandler 14 dämpft Licht in Abhängigkeit der Temperatur, so daß die Dämpfung linear mit steigender Temperatur ansteigt. Das Licht, welches die Temperaturinformation bzw. den -wert in seiner Intensität trägt, wird über eine optische Fa­ ser 16 zu einem Detektor 18 geleitet, der das Signal in elektrische Form übersetzt, damit es weiter in einer herkömmlichen Art in einem Schaltkreis 20 verarbeitet wird. Die Wellenlänge der Lichtquelle 10 ist geringer als die optische Absorptionsschwellen-Wellenlänge des Halbleitermaterials in dem Meßwertwandler 14.

Gemäß Fig. 2 wird Licht von Lichtquellen 10 a und 10 b über die optische Faser 12 zu dem Meßwertwandler 14 ge­ leitet. Die Lichtquelle 10 b emittiert in einem Wellen­ längenband, für das das temperaturempfindliche Element bei allen gemessenen Temperaturen gleichermaßen durch­ lässig ist. Demzufolge kann der Sensor kontinuierlich gegen Übertragungsverluständerungen in der optischen Faser kalibriert bzw. geeicht werden. Die Lichtquelle 10 a emittiert Licht über dasselbe Wellenlängenband wie die Quelle 10 in Fig. 1, wobei ein temperaturabhängiges Signal in der gewünschten Weise geliefert wird. Nach dem Meßwertwandler 14 wird das von beiden Quellen emittierte Licht über die optische Faser 16 zu dem Detektor 18 ge­ führt. Die von den Lichtquellen 10 a und 10 b emittierten Wellenlängenbänder sind zeitlich voneinander getrennt. Für ein kristallines (mono- oder polykristallines) Sili­ zium fällt die optische Absorptionsflanke bei einer Wel­ lenlänge von 1,1 µm (E = 1,1 eV). Demzufolge kann die Lichtquelle, welche das temperaturabhängige Signal lie­ fert, beispielsweise eine GaAs LED (Licht emittierende Diode) sein, welche bei 950 nm Wellenlänge emittiert, wobei eine solche LED in einem Prototyp verwendet wurde. Das Referenzsignal kann durch eine GaAlAs LED erzeugt werden, der beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1,3 µm arbeitet, wobei eine solche LED ein Standardbauteil in optischen Verbindungsnetzen (optical communications) ist.

Gemäß Fig. 3 tritt von der optischen Faser 12 austre­ tendes Licht durch ein Halbleiterelement 26, welches fest an einer Glasplatte 24 befestigt bzw. gebondet ist, hindurch, über die Glasplatte 24 auf eine reflektierende Oberfläche 28 und wieder zurück auf derselben Strecke. Das die optische Faser 12 verlassende Licht vergrößert bzw. zerstreut sich in einen Kegel, so daß ein Teil des zurückkommenden Lichts mit der optischen Faser 16 ver­ bunden wird. Da die optischen Fasern 12 und 16 unmittel­ bar an der Oberfläche des Halbleiterelements 26 ange­ bracht sind, wird kein störendes, von den Zwischenober­ flächen des Halbleiterelements 26 reflektiertes Licht mit der Faser 16 verbunden. Die Oberfläche des Halblei­ terelements 26 kann mit einer Antireflexionsschicht überzogen sein. Das Material des Halbleiterelements 26 ist vom Typ einer Indirektübergangsenergielücke, wie beispielsweise Silizium oder Germanium.

Gemäß Fig. 4 sind die optischen Fasern 12 und 16 so angeordnet, um parallel in eine Kapillare 30 zu gelan­ gen, deren Außendurchmesser typischerweise ungefähr 1,1 mm und deren Innendurchmesser ungefähr 0,4 mm beträgt. Die Kapillare 30 ist in einem zylindrischen Gehäuse 32 zusammen mit einem temperaturempfindlichen Element 22 angeordnet. Der äußere Durchmesser des zylindrischen Gehäuses ist an seinem dünnsten Ende typischerweise un­ gefähr 1,1 mm, an dem dickeren Ende ungefähr 1,4 mm stark und weist eine Gesamtlänge von ungefähr 10 mm auf. Die Wanddicke des zylindrischen Gehäuses 32 wird so dünn wie möglich hergestellt. Das andere Ende des zylindri­ schen Gehäuses 32 wird von einem Stopfen 34 abgeschlos­ sen, dessen Durchmesser ungefähr 1,4 mm und dessen Länge ungefähr 2 bis 3 mm beträgt. Die Größe des temperatur­ empfindlichen Elements 22 ist ein Kubus von 1,0 × 1,0 × 1,0 mm³ in seiner Größe. Die von der Kapillare 30 aus­ gehenden Fasern, d. h. die Lichteingangsfaser 12 und die Lichtausgangsfaser 16 sind von einer Hülse 36 getragen. Der Durchmesser der Fasern beträgt typischerweise 125 bis 140 µm.

Gemäß Fig. 5 basiert die Wirkungsweise des Meßwert­ wandlers auf dem Phänomen, daß ein Absorptionsspektrum 38 des verwendeten Halbleiters auf der Energieskala mit sich verändernder Temperatur verschoben wird, so daß ein Verschieben nach links oder rechts einer höheren bzw. niederen Temperatur entspricht. Jedoch wird die Form (shape) des Spektrums 38 nicht merkbar durch die tempe­ raturinduzierte Verschiebung verformt, was zu einer mo­ notonen bzw. gleichmäßigen Änderung des exponentiellen Dämpfungskoeffizienten α bei einer vorgegebenen Energie als eine Funktion der Temperatur führt. Der charakteri­ stische Energieschwellenwert für Silizium kann als E _O = 1,3 eV (GaAs LED) angenommen werden. Die Werte in der Zeichnung sind: Bei einer Temperatur T 1 von ungefähr 330 K (Raumtemperatur) beträgt der Absorptionskoeffizient α (T 1) 200 1/cm, und bei einer Temperatur T 2 von 600 K, ist α (T 2) ungefähr 900 1/cm. Wenn eine Lichtquelle mit einer geeigneten Wellenlänge verwendet wird, kann die Temperaturmessung ausgehend von der Änderung in der Ab­ sorption durchgeführt werden. Das beste Ergebnis wird erreicht, wenn die Lichtquelle 10 oder 10 a ein Licht bei einer Wellenlänge emittiert, das auf einen Teil 40 der Spektralabsorptionskurve mit geringer Steigung fällt.

In der Ausführungsform, welche zwei Wellenlängenbänder verwendet, wie in Fig. 6 dargestellt, werden die ge­ forderten Wellenlängenbänder von einer einzigen in der Nähe des infraroten Bereichs arbeitenden Quelle 42 mit­ tels einer drehbaren Platte 44 erreicht, welche Löcher aufweist, die mit geeigneten Filtern 46 a und 46 b bedeckt sind. Nach Durchtritt durch die Filter wird Licht in die optische Faser 12 geführt. Um Lichtemission mit engen Bandbreiten zu erreichen, müssen die verwendeten Filter beispielsweise Interferenzfilter sein. Diese sind für gewünschte Wellenlängen mit gewünschten Spektralbreiten verfügbar.

In der Ausführungsform, welche zwei Wellenlängenbänder verwendet, wie in Fig. 7 dargestellt, werden die ge­ forderten Wellenlängerbänder von zwei separaten Licht­ quellen 10 a und 10 b erhalten. Das von jeder Lichtquelle emittierte Licht wird in separate Fasern 12 a und 12 b geführt, welche später zu einer einzigen Faser 12 zu­ sammengefaßt sind.

Claims (8)

1. Verfahren zur Temperaturmessung mit Hilfe von Fa­ seroptiken bzw. Lichtwellenleitern, bei dem
Licht, das als Meßsignalträger verwendet wird, von einer Lichtquelle (10) erzeugt wird,
Licht über eine erste optische Faser (12) zu einem temperaturempfindlichen Element (26) geführt wird, welches an dem Meßpunkt angeordnet ist,
Licht, welches durch das temperaturempfindliche Element (26) durchtritt, über eine zweite optische Faser (16) zur Erfassung einem Detektor (18) zuge­ führt wird, um die Temperatur zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß
das verwendete temperaturempfindliche Element (26) ein mono- oder polykristalliner Halbleiter mit In­ direktübergangsenergielücke (indirect transition energy gap) ist, und
die verwendete Lichtquelle eine Lichtquelle (10) mit einer Emissionswellenlänge ist, welche geringer ist als die Absorptionsschwellen-Wellenlänge (ab­ sorption threshold wavelength) des verwendeten temperaturempfindlichen Elements (26).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das temperaturempfindliche Element (26) ein Referenzsignal eingeführt wird, dessen Wellenlänge länger ist als die Schwellenwellenlänge der Ab­ sorptionskurve des temperaturempfindlichen Elemen­ tenmaterials, um die Effekte von Dämpfungsunter­ schieden in der optischen Faser (12, 16) zu elimi­ nieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal und das Meßsignal durch Filtern von einem breitbandigen Signal erhalten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal und das Meßsignal von sepa­ raten Lichtquellen (10 a, 10 b) erhalten werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal in einem Zeitteilmodus (time division mode) über die erste optische Faser (12) zu dem temperaturempfindlichen Element (26) geführt wird.

6. Vorrichtung zur Temperaturmessung mit Hilfe von Faseroptiken, mit
wenigstens einer Lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Lichts zur Verwendung als ein Meßsignalträ­ ger,
einem temperaturempfindlichen Element (26), das dem Meßpunkt zugeordnet ist,
wenigstens einer ersten optischen Faser (12), mit der Licht dem temperaturempfindlichen Element (26) zugeführt werden kann, und
einer zweiten optischen Faser (16), mit der durch das temperaturempfindliche Element (26) hindurch­ getretenes Licht zu einem Detektor (18) geführt werden kann, um die Temperatur zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß
das verwendete temperaturempfindliche Element (26) eine Schicht von einem mono- oder polykristallinen Halbleiter mit Indirektübergangsenergielücke ist, und
die Wellenlänge des von der Lichtquelle (10) zu dem temperaturempfindlichen Element (26) geführten Lichts so angepaßt wurde, um geringer zu sein als die Absorptionskurvenschwellen-Wellenlänge des ver­ wendeten temperaturempfindlichen Elements (26).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß Filterelemente (44) zwischen der Licht­ quelle (10) und dem temperaturempfindlichen Element (26) derart angeordnet sind, um ungewollte Wellen­ längen herauszufiltern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beide, die erste (12) und die zweite optische Faser (16) im wesentlichen parallel angeordnet sind und senkrecht dem temperaturemp­ findlichen Element (26) gegenüberstehen, welches auf eine Glasplatte (24) aufgebracht ist, deren dem temperaturempfindlichen Element (26) gegenüberlie­ gende Oberfläche mit einer reflektierenden Ober­ fläche (28) versehen ist.