DE3913652A1 - Vorrichtung zur temperaturmessung mit einem sensorkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperatur­ messung mit einem Sensorkörper aus einem Photolumineszenz-Ma­ terial, das über eine Lichtwellenleiteroptik mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und zur Detektion und Auswertung empfangener Strahlung verbunden ist.

Mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Gattung wird die Fluoreszenz-Abklingdauer der Strahlung des Photolumineszenz- Materials gemessen. Die Fluoreszenz-Abklingdauer hängt dabei von der jeweiligen Temperatur ab. Zur Übertragung der Lichtenergie werden meist Fasern aus Quarzglas oder Kunststoff eingesetzt, die sehr gute Übertragungseigenschaften haben. Quarz hat einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die für höhere Temperaturen geeigneten Sensorelemente, aus einem Material wie z. B. Cr : YAG weisen demgegenüber höhere Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten auf.

Zwischen dem jeweiligen Sensorkörper und der Faseroptik muß eine optisch transparente Verbindung hergestellt werden. Diese optisch transparente Verbindung ist in etwa den gleichen Temperaturen ausgesetzt wie der Sensorkörper, mit dem die Temperaturen gemessen werden. Soll mit dem Sensorkörper nur ein Bereich mit relativ niedrigen Temperaturen gemessen werden, dann kann ein optischer Kleber auf organischer Basis, z. B. ein Epoxidharz, zur Verbindung von Sensorkörper und Lichtleiter verwendet werden. Eine derartige Verbindung eignet sich jedoch nicht für Dauereinsatztemperaturen von mehr als 200°C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, daß höhere Temperaturen nicht zu einer Beschädigung der Verbindung zwischen dem Sensorkörper und einem an diesem angeschlossenen Lichtleiter führen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sensorkörper mittels Glaslot an einem Ende mindestens eines ersten Lichtwellenleiters befestigt ist, daß das Glaslot und der erste Lichtwellenleiter Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sensorkörpers angeglichen sind, und daß das andere Ende des ersten Lichtwellenleiters im Bereich einer niedrigen Temperatur mit einem zweiten Lichtwellenleiter z. B. Standardlichtwellenleiter aus Quarzglas, Glas, Kunststoff o. ä. verbunden ist. Bei dieser Vorrichtung wird ein erster Lichtwellenleiter, der nicht aus Quarzglas besteht, als Zwischenübertragungsmedium verwendet, um eine hochtemperaturstabile Verbindung zum Sensorkörper zu verwirklichen. Dieses Zwischenübertragungsmedium hat im allgemeinen nicht so gute optische Übertragungseigenschaften für Lichtenergie wie Quarzglas. Gegenüber dem zweiten Lichtwellen­ leiter ist der Zwischenübertragungslichtwellenleiter wesentlich kürzer, da er nur im Hochtemperaturbereich eingesetzt wird. Die geringeren optischen Übertragungseigenschaften des Zwischen­ übertragungslichtwellenleiters wirken sich daher nicht in bedeutendem Umfang aus.

Vorzugsweise besteht der mit dem Sensorkörper verbundene erste Lichtwellenleiter aus einem Multi-Komponentenglas. Dieses im Hinblick auf einen geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammengesetzte Multi-Komponentenglas kann in etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Sensorkörper sowie das z. B. aus dem gleichen Glasmaterial bestehende Glaslot haben. Die vorstehend beschriebene Verbindung zwischen dem Sensorkörper und dem ersten Lichtwellenleiter aus dem Multi-Komponentenglas hält Temperaturen von mehr als 400°C ohne weiteres Stand.

Ferner ist auf eine besonders hervorzuhebende weitere Ausgestaltung zu verweisen. Das Glaslot braucht nicht nur die Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Sensorkörper herzustellen. Verwendet man ein Glaslot, dessen Brechungsindex niedriger als der des Sensorkörpers ist, und setzt dieses Glaslot nicht nur an der Verbindungsstelle ein, sondern überzieht den gesamten Sensorkörper mit einer dünnen Schicht dieses Glaslotes (z. B. durch Eintauchen), so wird auch der Sensorkristall zu einem geschützten Lichtwellenleiter. Verschmutzungen an der Glaslotoberfläche verursachen dann keine weitere Dämpfung des Signals. Notwendig ist allerdings, daß die Schichtdicke des Glaslotüberzuges mindestens einige µm beträgt.

Es ist günstig, wenn der mit dem Sensorkörper verbundene erste Lichtwellenleiter und/oder der mit der Einrichtung zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und zur Detektion und Auswertung empfangener Strahlung verbundene zweite Lichtwellenleiter ein flexibler Lichtwellenleiter ist.

Es ist auch möglich, daß der mit dem Sensorkörper verbundene erste Lichtwellenleiter und/oder der mit der Einrichtung zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und zur Detektion und Auswertung empfangener Strahlung verbundene zweite Licht­ wellenleiter ein Bündel von Lichtleitfasern ist.

Vorzugsweise sind die Lichtwellenleiter oder Lichtleitfasern durch Steckelemente eines Steckverbinders miteinander verbunden. Diese Art der Verbindung ist geeignet, um den Sensorkörper mit der daran befestigten optischen Faser aus Multi-Komponentenglas als selbständige Einheit handhaben zu können. Diese Einheit kann an Standardlichtwellenleiter wie optische Fasern aus Quarzglas von unterschiedlicher Länge angeschlossen werden. Hieraus ergibt sich eine flexible Einsatzmöglichkeit.

Die Lichtwellenleiter können auch vorteilhafterweise durch Klebe-Spleiß-Verbindungen miteinander verbunden werden. Eine solche Verbindung läßt sich besonders kostengünstig herstellen.

Die Querschnitte der Materialien an den Verbindungsstellen sind hierbei aneinander anzupassen. Dabei kann es aus fertigungs­ technischen Gründen durchaus sinnvoll sein, den Lichtwellenlei­ ter nicht mit einem zylindrischen Sensorkörper gleichen Durchmessers, sondern mit einem Sensorkörper mit quadratischem Querschnitt zu verbinden. Letzteres bedeutet eine Querschnittsan­ passung der Gestalt, daß die Kantenlänge des quadratischen Querschnitts gleich dem Durchmesser des Lichtwellenleiters ist.

Weiterhin kann es durchaus sinnvoll sein, Lichtwellenleiter mit geringfügig unterschiedlicher numerischer Apertur und etwas verschiedenen Kerndurchmessers einzusetzen. Unter Inkaufnahme zusätzlicher Verluste wird dadurch eine stabilere Kopplung erreicht, die somit weniger störanfällig ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Die Zeichnung zeigt einen Sensorkörper (10) aus einem photo­ lumineszierenden Material wie z. B. Cr : YAG, der an einer ebenen Seite (12) an eine ebene Stirnseite eines ersten Lichtwellenleiters (14) angrenzt, der aus einem Multi-Komponentenglas besteht. An den Rändern der Stirnseite ist der erste Lichtwellenleiter (14) duch Glaslot (16) mit dem Sensorkörper (10) fest verbunden. Das Material des Lichtwellenleiters (14) und des Glaslots (16) ist so ausgewählt, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten gleich oder in etwa gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sensorkörpers (10) sind. Der Sensorkörper (10) und der größte Teil des Lichtwellenleiters (14) befinden sich in einem Raum (18), in dem eine hohe Temperatur herrscht, die mit dem Sensorkörper (10) gemessen werden soll.

Die zweite Stirnseite des Lichtwellenleiters (14) ist außerhalb des Raumes (18) an ein Steckelement (20) eines Steckverbinders für Lichtwellenleiter angeschlossen. Das andere Steckelement (22) des Steckverbinders ist mit einem Ende eines zweiten Standard­ lichtwellenleiters (24) verbunden, dessen anderes Ende mit einer Einrichtung (26) zum Erzeugen einer Anregungsstrahlung sowie zum Detektieren und Auswerten der über die ersten und zweiten Lichtwellenleiter (14) und (24) zurückgeleiteten Strahlung des Sensorkörpers (10) verbunden ist.

Mit der Einrichtung (26) wird die Fluoreszenz-Abklingdauer der Strahlung des photolumineszierenden Materials des Sensorkörpers (10) gemessen. Die Fluoreszenz-Abklingdauer hängt in bekannter Weise von der Temperatur im Raum (18) ab.

Die durch das Glaslot (16) hergestellte feste Verbindung zwischen dem Sensorkörper (10) und dem ersten Lichtwellenleiter (14) hält hohen Temperaturen von z. B. mehr als 400°C stand. Die in der Figur dargestellte Vorrichtung eignet sich daher zur Messung hoher Temperaturen. Der Sensorkörper (10) und der erste Lichtwellenleiter (14) bilden in Verbindung mit dem Steckelement (20) eine für sich handhabbare Einheit, die mit zweiten Lichtwellenleitern (24) von verschiedener Länge, je nach den örtlichen Gegebenheiten und der Entfernung zwischen dem Raum (18) und der Einrichtung (26), verbunden werden kann.

An Stelle einer lösbaren Steckverbindung zwischen dem ersten und zweiten Lichtwellenleiter kann der erste Lichtwellenleiter mit dem zweiten Lichtwellenleiter durch eine preiswerte Klebe- Spleiß-Verbindung verbunden werden.

An der Stelle von einfachen Lichtwellenleitern können auch Bündel von Lichtleitfasern verwendet werden.

Die Steckelemente (20, 22) und die Klebe-Spleiß-Verbindungen sind für Temperaturen bis etwa 100°C geeignet, d. h. die Verbindungen können außerhalb des Raumes (18), aber noch in dessen Nähe angeordnet sein, um die Länge des ersten Lichtwellenleiters (14) bzw. die Länge des Bündels von Lichtleitfasern möglichst klein zu halten. Der erste Lichtwellen­ leiter (14) wird als Zwischenübertragungselement zwischen dem Sensorkörper (10) und dem zweiten Lichtwellenleiter (24) benutzt. Zwar hat der erste Lichtwellenleiter (14) weniger gute optische Übertragungseigenschaften als der zweite Lichtwellenleiter (24), jedoch wirken sich die weniger guten optischen Eigenschaften des ersten Lichtwellenleiters (14) wegen dessen geringer Länge nicht besonders ungünstig aus.

Zu erwähnen ist noch, daß selbstverständlich der Sensorkörper (10) mit einem mechanischen Schutz wie Hülse, Schutzrohr, Klappe, die aus beliebigen geeigneten temperaturbeständigen Materialien bestehen können, versehen sein kann.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung mit einem Sensorkörper aus einem Photolumineszenz-Material, das über eine Lichtwellenleiteroptik mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und zur Detektion und Auswertung empfangener Strahlung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (10) mittels Glaslot (16) an einem Ende mindestens eines ersten Lichtwellenleiters (14) befestigt ist, daß das Glaslot (16) und der erste Lichtwellenleiter (14) Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die zumindest an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sensorkörpers (10) angeglichen sind, und daß das andere Ende des ersten Lichtwellenleiters (14) im Bereich einer niedrigen Temperatur mit einem zweiten Lichtwellenleiter (24) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Sensorkörper (10) verbundene erste Lichtwellenleiter (14) aus einem Multi-Komponentenglas- Lichtwellenleiter besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Sensorkörper (10) verbundene erste Lichtwellenleiter (14) und/oder der mit der Einrichtung (26) zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und zur Detektion und Auswertung empfangener Strahlung verbundene zweite Lichtwellenleiter (24) ein flexibler Lichtwellenleiter ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Sensorkörper (10) verbundene Lichtwellen­ leiter (14) und/oder der mit der Einrichtung (26) zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und zur Detektion und Auswertung empfangener Strahlung verbundene zweite Lichtwellenleiter (24) ein Bündel von Lichtleitfasern ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (14, 24) oder Lichtleitfasern durch Steckelemente (20, 22) eines Steckverbinders miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (12, 14) oder Lichtleitfasern durch Klebe-Spleiß-Verbindungen miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (10) mit einem Glaslot überzogen ist, dessen Brechungsindex niedriger als der des Sensorkörpers ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Lichtwellenleiters (14) dem des Sensorkörpers (10) angepaßt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sensorkörpers (10) vorzugsweise quadratisch ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenlänge des im Querschnitt quadratischen Sensorkörpers (10) dem Durchmesser des Lichtwellenleiters (14) entspricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lichtwellenleiter (24) eine geringe Dämpfung besitzt.