DE4122619A1 - Faseroptischer sensor zum nachweis von gasfoermigen oder fluessigen medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien und dient zur Überwachung von elektrischen Kabeln oder Leitungen sowie von gefährdeten Anlagen, Rohrleitungen, Einrichtun­ gen und Gebäuden hinsichtlich des Eindringens von Wasser, Wasserdampf, Säuren, Laugen oder anderer Gase bzw. Flüssig­ keiten.

Es ist allgemein bekannt, daß durch das Auftreten von Feuchtigkeit Änderungen der Leitfähigkeit bzw. der Kapa­ zität in verschiedenen Materialien auftreten und daß diese für den Aufbau entsprechender Sensoren ausgenutzt werden. Mit der fortschreitenden Entwicklung auf dem Gebiet der Lichtwellenleitertechnik werden dagegen immer häufiger faseroptische Sensoren vorgestellt, mit denen man Feuch­ tigkeit oder andere physikalische Größen messen kann. So ist ein faseroptischer Sensor bekannt, bei dem im Sensor­ bereich seitlich alles Material bis zum Kerngebiet ent­ fernt wurde. Beim Auftreten von Flüssigkeit in dieser Zone verändern sich die Grenzbedingungen für die Totalreflexion, was als Sensoreffekt ausgenutzt wird.

Nachteilig ist der hohe Aufwand der Sensorherstellung und die geringe mechanische Festigkeit (DE-OS 34 15 242). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den faseroptischen Sensor mit speziell präparierten Bereichen aufzubauen, die bei Feuchtigkeitseinfluß ihr Volumen verändern und dadurch Mikrokrümmungen der Faser verursachen (DE-OS 33 27 158). Problematisch bei dieser Sensoranordnung ist die speziell präparierte Schicht, die in möglichst homogener Verteilung die feuchtigkeitsempfindlichen Festkörper enthalten muß. Bei niedriger Feuchtigkeit ist auch der Mikrokrümmungs­ effekt entsprechend klein, so daß ein erhöhter meßtech­ nischer Aufwand entsteht.

Nachteilig bei den bekannten faseroptischen Sensoren ist, daß deren Ansprechempfindlichkeit unzureichend und deren Herstellung zu aufwendig und kostspielig sind.

Außerdem ist es mit den bekannten faseroptischen Sensoren nicht möglich, nur ein bestimmtes Medium oder ein bestimm­ tes Medium mit einem bestimmten Konzentrationsgehalt auf­ zuspüren.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem geringen tech­ nischen Aufwand kostengünstig faseroptische Sensoren mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber den nachzuwei­ senden Medien zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der faseroptische Sensor zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien aus einem Lichtleiterkern, aus einem Lichtleitermantel und aus einer gas- und flüssigkeits­ durchlässigen Schutzhülle aufgebaut ist. Dabei besteht der Lichtleitermantel aus einem Fluoridglas, das zum einen eine niedrigere Brechzahl als das Material des Lichtlei­ terkernes aufweist und zum anderen bei Anwesenheit be­ stimmter gasförmiger oder flüssiger Medien, wie vorzugs­ weise Wasser, Wasserdampf, Säure oder Lauge zersetzt wird, so daß bei Vorhandensein des entsprechenden nachzuweisen­ den Mediums die vorher existierende Totalreflexion des durchgeleiteten Lichtstrahles innerhalb einer chemisch bestimmten Reaktionszeit aufgehoben ist, wobei je nach Art und jeweiliger Konzentration des nachzuweisenden Me­ diums das Fluoridglas wahlweise aus einer Mischung besteht, die sich je nach Art und Konzentration des Mediums aus unterschiedlichen Mengenanteilen an BeF₂, NdF₃, AlF₃, KF, CaF₂, MgF₂ und BaF₂ zusammensetzt und die Schicht­ dicke des Lichtleitermantels von der voraussichtlichen Einsatztemperatur und der Art und Konzentration des nach­ zuweisenden spezifischen Mediums abhängig ist.

Als Material für den Lichtleitermantel kann auch ein anderes Glas mit einer geringen chemischen Beständigkeit verwendet werden. Die gas- und flüssigkeitsdurchlässige Schutzhülle besteht aus einem Material, das hygroskopisch ist und/oder Substanzen enthält, durch die die korrosive Wirkung des nachzuweisenden Mediums auf das Material des Lichtleitermantels verstärkt wird. Der Lichtleitermantel kann außerdem in Form einer Doppelschicht oder eines Schichtsystems aufgebaut sein.

Die vorliegende Erfindung dient zum Aufspüren des Vor­ handenseins von gasförmigen oder flüssigen Medien, wie Wasser, Wasserdampf, Säuren oder Laugen, die z. B. inner­ halb von technischen Anlagen, entlang von Rohrleitungen, innerhalb von Kabeln oder innerhalb von Gebäuden in unter­ schiedlichen Mengen getrennt oder miteinander gemischt auftreten können und deren Anwesenheit eine Gefahr dar­ stellt, wobei zu deren Beseitigung eine Meldung ihres Vorhandenseins an eine Zentrale erfolgen muß.

Durch die vorgeschlagene Erfindung ist es möglich, einen faseroptischen Sensor zu schaffen, der auf einfache Art und Weise kostengünstig herzustellen ist und der nicht nur die Existenz von flüssigen und feuchten gasförmigen Medien nachweist, sondern der auch so aufgebaut sein kann, daß dieser das Vorhandensein von nur einem bestimmten Medium anzeigt.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen faseroptischen Sensors ist in der Figur dargestellt und wird nachstehend näher erläutert.

Ein Lichtleiterkern 1 mit einer hohen Brechzahl n_h wird mit einem Lichtwellenleitermantel 2 umgeben, der eine kleinere Brechzahl n_t besitzt. Die gesamte Sensoranordnung wird mit einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Schutz­ hülle 3 umgeben, die z. B. aus einem textilen Material (Baumwolle o. ä.) besteht. Im Gegensatz zu einem Mantel, der eine Stepindexfaser umgibt, übernimmt der erfindungs­ gemäße Lichtleitermantel eine Doppelfunktion. Einerseits wird durch die Auswahl der Brechzahlen (für den Lichtleiterkern 1, der aus SiO₂ besteht, ist n_h=1.44 für den Lichtleitermantel 2, der aus Fluoridglas besteht, ist n_t=1.35) die Voraussetzung zum Erreichen der Total­ reflexionsbedingung erfüllt. Zum anderen besteht der Lichtleitermantel aus Fluoridglas mit einer geringen hydro­ lytischen Beständigkeit, daß sich bei Anwesenheit von feuchten gasförmigen oder flüssigen Medien, wie Wasser, Wasserdampf, Säuren oder Laugen chemisch zersetzt.

Durch diese Zersetzung bzw. Auflösung des Lichtleiterman­ tels 2 wird die Totalreflexionsbedingung aufgehoben und es werden in einem starken Maße die Dämpfung oder das Dispersionsverhalten bzw. die übertragbare Bandbreite des Lichtleiterkernes verändert, die als Meßgrößen aus­ gewertet werden können.

Tabelle 1 zeigt stellvertretend für andere Systeme die bereits bekannte große Löslichkeit v₁ für Fluoridgläser in Wasser bei 50°C unter statischen Bedingungen (250 ml H₂O; 15 cm² Oberfläche) (/1/ Dunken, H. H. et. al. Physikalische Chemie der Glasoberfläche; VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1981 S. 323).

Tabelle 1

Erfindungsgemäß wird die geringe chemische Beständigkeit von Fluoridgläsern zur Herstellung eines faseroptischen Sensors zum Nachweis von feuchten gasförmigen oder flüssigen Medien ausgenutzt, indem ein Lichtleiterman­ tel 2, der z. B. aus diesem Fluoridglas besteht, auf einen Lichtleiterkern 1 aufgebracht wird, wobei auf dem Lichtleitermantel 2 eine gas- und flüssigkeitsdurchläs­ sige Schutzhülle 3 aufgetragen ist, die so aufgebaut sein kann, daß diese hygroskopisch auf die Umgebung und damit auf den darunterliegenden Lichtleitermantel 2 wirkt und/oder Substanzen enthält, die die korrosive Wirkung des jeweiligen Mediums auf den Lichtleiterman­ tel 2 verstärken.

Die vorgeschlagene Sensoranordnung bietet folgende Vor­ teile:

• 1. Der Aufbau ist einfach und die Herstellung ist unkom­ pliziert.
• 2. Die Auswertung und Überwachung der Meßgröße kann mit Standardmeßgeräten erfolgen. Die Fehlstelle bei Feuch­ tigkeitseinwirkung ist durch Anwendung von Rückström­ messungen (OTDR) genau lokalisierbar.
• 3. Die Empfindlichkeit des faseroptischen Sensors kann über die Wahl des Systems Lichtleiterkern 1 / Licht­ leitermantel 2, die Wahl der Glaszusammensetzung und der Schichtdicke des Lichtleitermantels 2 unter Be­ rücksichtigung der voraussichtlichen Einsatztempera­ turen an die verschiedensten Einsatzbedingungen ange­ paßt werden. Dadurch läßt sich der Sensor so gestal­ ten, daß er z. B. nur auf verdünnte Säuren anspricht (Überwachung von Rohrleitungen mit gefährlichen Stof­ fen).
• 4. Der erfindungsgemäße Lichtwellenleitersensor bietet zusätzlich die Möglichkeit, ein störsicheres Zusatz­ signal mit zu übertragen.

Claims (4)

1. Faseroptischer Sensor zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einem Lichtleiterkern (1), aus einem Licht­ leitermantel (2) und aus einer gas- und flüssigkeits­ durchlässigen Schutzhülle (3) aufgebaut ist, wobei der Lichtleitermantel (2) aus einem Fluoridglas besteht, das zum einen eine niedrigere Brechzahl als das Mate­ rial des Lichtleiterkernes (1) aufweist und zum anderen bei Anwesenheit bestimmter gasförmiger oder flüssiger Medien, wie vorzugsweise Wasser, Wasserdampf, Säure oder Lauge zersetzt wird, so daß bei Vorhandensein des entsprechenden nachzuweisenden Mediums die vorher existierende Totalreflexion des durchgeleiteten Licht­ strahls innerhalb einer chemisch bestimmten Reaktions­ zeit aufgehoben ist, wobei je nach Art und jeweiliger Konzentration des nachzuweisenden Mediums das Fluorid­ glas wahlweise aus einer Mischung besteht, die sich je nach Art des Mediums aus unterschiedlichen Mengen­ anteilen an BeF₂, NdF₃, AlF₃, KF, CaF₂, MgF₂ und BaF₂ zusammensetzt und die Schichtdicke des Lichtleiterman­ tels (2) von der voraussichtlichen Einsatztemperatur und der Art und Konzentration des nachzuweisenden spe­ zifischen Mediums abhängig ist.

2. Faseroptischer Sensor zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Material für den Lichtleiter­ mantel (2) ein anderes Glas mit einer geringen chemi­ schen Beständigkeit verwendet wird.

3. Faseroptischer Sensor zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gas- und flüssigkeitsdurchläs­ sige Schutzhülle (3) aus einem Material besteht, das hygroskopisch ist und/oder Substanzen enthält, durch die die korrosive Wirkung des nachzuweisenden Mediums auf das Material des Lichtleitermantels (2) verstärkt wird.

4. Faseroptischer Sensor zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitermantel (2) in Form einer Doppelschicht oder eines Schichtsystems aufgebaut ist.