WO2003038385A1 - Verfahren und vorrichtung zur räumlich ausgedehnten erfassung von betriebszuständen mittels laser-reflektometrie und hoher laserleistung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur räumlich ausgedehnten erfassung von betriebszuständen mittels laser-reflektometrie und hoher laserleistung Download PDF

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WO2003038385A1
WO2003038385A1 PCT/EP2002/012125 EP0212125W WO03038385A1 WO 2003038385 A1 WO2003038385 A1 WO 2003038385A1 EP 0212125 W EP0212125 W EP 0212125W WO 03038385 A1 WO03038385 A1 WO 03038385A1
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WO
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sensor cable
optical
signal
fiber
laser
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PCT/EP2002/012125
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Inventor
Martin Fromme
Ulrich Glombitza
Henrik Hoff
Original Assignee
Lios Technology Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the spatially extensive detection of operating states by means of laser reflectometry and high laser power, for example for temperature, force or moisture measurement.
  • Temperature measurement systems using laser reflectometry are known, for example, from EP 0692705 AI.
  • the temperature is determined by evaluating a weak backscatter signal (Raan scatter).
  • the intensity of the backscatter signal depends on the intensity of the incident laser light.
  • a high laser power is therefore preferably used.
  • Such a temperature measurement system cannot be used in room zones in which high laser power is undesirable or illegal. For example, for reasons of personal protection or compliance with safety regulations, e.g. in areas with explosive exposure, the laser power is kept below a certain power threshold.
  • Explosion protection should be provided by adhering to special building regulations and by limiting the maximum surface temperatures that occur during operation, which should be below the minimum ignition temperature of the gas mixture in question.
  • such a gas mixture can also be ignited by Sparking can be caused, for example, by mechanical sparking or electrical sparking due to electrostatic discharge.
  • the maximum permissible radiation represents a limit value for non-hazardous radiation to the eye or skin, which is determined depending on the wavelength and duration of exposure.
  • EP 0692705 AI describes a method and a measuring device for determining a route-dependent temperature profile along an optical waveguide in detail.
  • EP 0692705 A1 also describes a method and a measuring device with devices for determining a distance-dependent measurement profile to detect the effects of moisture or forces on the optical waveguide.
  • the method for determining the temperature described in EP 0692705 AI is based on the detection of the intensity of the backscattered light in the spectral Raman band, while the method described there for measuring moisture or force from the wavelength-selective coupling-out of Raman, preferably Rayleigh scattered light ,
  • Such a measuring system should consist of an optical transmitter (FMCW laser source), spectral pre-filtering and post-filtering, a fiber-optic measuring section (optical fiber) and a two-channel receiver unit, each consisting of a photodiode and one HF (high frequency) mixer.
  • the two channels of the receiver unit correspond to the path of the light of the measuring tape and that of the reference tape.
  • a reference channel runs parallel to the channels mentioned, the light of which is taken from the primary beam path by means of power couplers and also strikes a photodiode and is passed on to the receiver unit.
  • the signals from the three channels then run via an interface for numerical processing, preferably in a PC. This consists of the windowing of the measurement signals, a Fast Fourier Transformation (FFT), signal averaging and the final EDP processing.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • laser sources Due to their resonator structure, laser sources have a comb-like (longitudinal) mode spectrum.
  • the radiation power is not only carried out at the emission wavelength 1 0 (main mode), but is also distributed over the closest secondary modes.
  • the location of these extensions falls within the spectral range of the Raman scattered light to be expected.
  • the frequency-modulated laser light is pre-filtered with an absorption filter, for example, before it is coupled into the glass fiber line.
  • the light backscattered from the fiber is evaluated or pre-filtered using, for example, two Wavelength Division Multiplexing (WDM) filters so that the spectral components pass at the laser wavelength 1 0 and the Raman scattered light from the Stokes and Anti-Stokes line respective output is transferred.
  • WDM Wavelength Division Multiplexing
  • the measuring light of the Stokes and Anti-Stokes lines of the Raman scattered light reaches the two light-sensitive diodes.
  • the electrical signals are amplified and mixed with the modulation signal of the laser control in the low-frequency spectral range and transferred to the FFT analyzer via the computer interface.
  • the spectral band (as a measuring band) of the absorption of the hydrogen stored in the backscattering medium should preferably be used for a moisture measurement and a spectral band should be used as the reference band, which is without influence of the absorption of the stored hydrogen if possible.
  • the maxima of the absorption bands of the hydrogen are known and are approximately 1,240 nm (for example for the reversible incorporation of hydrogen in quartz) or 1,390 nm (for example irreversible incorporation).
  • the reference band should be as far as possible from the absorption bands in order to minimize their influence.
  • An optical waveguide is preferably used as the backscattering medium, which consists of a locally returning strand and which runs over a loop at the end of the measuring section, so that both strands assume approximately the same local position.
  • one of the strands is hermetically shielded from moisture, which is the case, for example can be achieved in that this strand lies in a jacket which is impermeable to moisture (e.g. made of stainless steel).
  • light of a fixed, high wavelength should be used as the measuring band for force measurement, which is guided as weakly as possible by the backscatter medium and light with a wavelength which is guided as strongly as possible in the backscatter medium (approximately 980 nm, 1,064 nm, 1,300 nm).
  • a wavelength which is guided as strongly as possible in the backscatter medium approximately 980 nm, 1,064 nm, 1,300 nm.
  • physical micro-bending disturbances are used for the measurement.
  • the second method described can also be used with the method steps listed for this purpose for temperature measurement, temperature-dependent properties, in particular expansion coefficients of the coating of optical waveguides, being used. Temperature-dependent expansion coefficients cause the temperature-dependent increase or decrease in pressure forces on the optical waveguide, which means that temperature can be measured indirectly via the force influence.
  • optical frequency domain reflectomy Optical frequency domain reflectoetry
  • the fiber optic cable described there has a tube made of corrosion-resistant steel, in which one or more glass fibers are, and wherein the tube made of corrosion-resistant steel is provided with a plastic jacket.
  • the plastic coating serves for the heat conduction of ambient heat to the tube made of corrosion-resistant steel and also for the absorption of incident radiant heat in order to obtain heating of the tube made of corrosion-resistant steel in the area of thermal radiation.
  • This object is achieved according to the invention by a method for detecting operating states by means of laser reflectometry and high laser power over a spatially extended area, in which optical radiation is emitted by at least one first beam device () into at least one optionally connectable optical guide means 0 and at least one retroreflection is detected from the optical guide means (10) to form a measurement signal, characterized in that, in addition to the measurement signal, an interference signal is detected when, as a result of damage or interruption of the at least one optical guide means 0, a considerable emergence of optical radiation from the guide means is to be expected , or an operating signal if damage or interruption of the at least one elongated optical guide means has been identified as excluded, and that when the interference signal is detected, the radiation power of the first beam device is not limited to me less than 35 mW or the first beam device is switched off.
  • a device for detecting operating states by means of laser reflectometry and high laser power over a spatially extended area containing at least one first beam device () for emitting optical radiation, at least one optionally connectable optical guide means 0, and at least one device () for detecting retroreflection from the optical guide means 0 to form a measurement signal, characterized in that the device further comprises at least one detection device for an interference signal and / or an operating signal and a circuit for reducing or switching off an energy supply to the first beam device.
  • the device according to the invention is characterized in that the circuit for reducing or switching off an energy supply to the first beam device has one or more switch-off elements which can be controlled independently and each of which has a reduction or switch-off of an energy supply to the first beam device causes. Not only can the first beam device be switched off particularly quickly and effectively, but the redundant switch-off also ensures safe switch-off and thus system security if one of the switch-off devices should fail, in particular if the one or more switch-off devices can be controlled redundantly , The beam and the detection device are advantageously designed to be failure and error redundant.
  • the one or more shutdown elements are formed by PhotoMOS relays.
  • the method according to the invention is characterized in that the energy supply to the first beam device is reduced or switched off within no more than 10 ms. This also ensures reliable suppression of the ignition potential with a more powerful one Lasers are still given by limiting the amount of radiation energy that may escape.
  • the advantageous arrangement of a temperature measurement system by means of laser reflectometry and high laser power for use in a radiation security zone with a power supply, a measurement, evaluation and signaling system and a sensor cable for detecting the temperature containing at least one optical fiber for guiding the primary beam and the backscattered beam expediently comprises a beam device for generating at least one control beam which can be irradiated into the sensor cable, a detection device for a return beam signal generated by deflection, reflection or feedback of the control beam and a control device for the energy supply which, in the absence of the return beam signal, reduces the power radiated into the sensor cable to at least one for the safety zone lowers or switches off the permitted level.
  • the method and device according to the invention are preferably characterized in that different input variables can be detected as interference signals, in particular if the different input variables are derived from the measurement signal and / or my or several test signals.
  • the method and device are characterized in that at least one second radiation source for emitting an optical one Control beam is provided, which is independent of the first radiation source, and a device for detecting a return and / or through radiation for generating a test signal and / or an operating signal.
  • the method and device according to the invention are particularly safe if the at least one second radiation source is provided in the form of an additional laser and the additional laser is intrinsically safe. This provides explosion and personal protection even if the radiation escapes completely. On the other hand, the system can remain in operation and thus monitor the recovery of the damaged conductive agent after repair.
  • the first radiation source cannot be started up as long as the operating signal is not detected.
  • the beam device for generating the control beam and the detection device for the return beam signal are expediently designed independently of the primary measuring, evaluation and signaling system.
  • a particularly simple implementation, even with long detection distances, is when at least one additional optical guide means in
  • the optical guide for guiding the Control beam and for the return of the control beam consists of an optical fiber (protective fiber) forming a loop at the end of the sensor cable.
  • the beam device for generating the control beam and the detection device for the retroreflective signal expediently operate on the same physical principle as the primary measurement, evaluation and signaling system.
  • the invention further relates to an adapted sensor cable, which has at least the part of its length in which it can be laid in the security zone, optical or optoelectric guide means for guiding the control beam and the retroreflection signal generated by deflection, reflection or return of the control beam, a lock for optical coupling elements, which reliably exclude unintentional leakage of radiation when separating the coupling elements, a sheathing which offers protection of the optical and / or electrical conductors arranged in the sensor cable against cutting injuries with conventional laying tools and contact means via which it is connected to earth potential ,
  • a sensor cable according to the invention for use with a method and / or a device according to the invention is characterized in that the sensor cable has a plurality of optical fibers 0 as optical guide means.
  • a sensor cable according to the invention is particularly advantageously characterized in that the sensor cable has a plurality of optical waveguides () as optical guide means, at least one of which is used to detect the measurement signal and at least one further optical waveguide is suitable for determining an interference or operating signal by a method according to the invention.
  • this is characterized in that the one or more optical guide means are arranged within a tube and the tube is additionally stranded with preferably 6 wires, so that in the cross section of the cable, the stainless steel tube from the wires in hexagonal-tight arrangement is surrounded, especially if the stranding is carried out with a lay length ratio of about 12.
  • stranded wires made of aluminum-coated steel wire, an aluminum-magnesium-silicon alloy or pure aluminum.
  • a sensor cable according to the invention is characterized in that the optical guide means for guiding a control beam and for returning the control beam consists of a single optical fiber with at least two fiber cores.
  • the stranded sensor cable is additionally provided with an outer plastic layer.
  • the plastic layer is made conductive by adding alkyl amines or amides, and / or sterates, and / or graphitization.
  • the stranded sensor cable is additionally provided with a connecting sleeve, the tube and / or the outer plastic layer being electrically conductively connected to a connecting terminal of the connecting sleeve which is at ground potential.
  • the invention can be implemented in an economically and technically particularly sensible manner in a device or a method as described above, which is characterized by the use of at least one sensor cable according to the invention.
  • the optical guiding means for guiding the control beam can be an optical fiber
  • the guiding means for guiding the return beam signal can be an electrical conductor
  • an optoelectric element can be arranged at the end of the sensor cable, which emits the control beam light into an electrical signal for feeding converted into the electrical conductor.
  • the measuring optical fiber and the protective fiber can be integrated in close proximity to one another in a stranding in the sensor cable.
  • the optical fibers integrated or integrated in the sensor cable are protected by a layer of metal wire or a metal tube.
  • a plastic sheathing is preferably arranged above this.
  • the plastic casing can be made conductive or coated. This layer is connected electrically, preferably together with the housing of the measuring arrangement, to earth potential.
  • the sensor cable can still be flexible and can still be easily bent for installation.
  • FIG. 1 an overview of the components of an arrangement according to the invention
  • FIG. 2a a reference signal in the frequency domain (without Fresnel reflections along the measurement path),
  • FIG. 2b a measurement signal in the event of fiber breakage (Fresnel reflections directly at the fiber end of the measurement section),
  • FIG. 3a a corresponding backscatter curve (without Fresnel reflections along the measurement section),
  • FIG. 3b a corresponding backscatter curve (Fresnel reflections directly at the fiber end),
  • FIG. 4 a schematic diagram of a device for intrinsic fiber break monitoring
  • FIG. 5 a schematic diagram of a device for extrinsic fiber breakage monitoring (transmission measurement here in
  • FIG. 6 a sensor cable construction according to the invention with a rope bandage
  • FIG. 7 a sensor cable construction according to the invention with protective tube and pressurized enclosure
  • FIG. 8 a schematic diagram of the functions of the error management system
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of a shutdown device
  • Figure 10 is a schematic diagram of an unloading mechanism
  • Figure 11 is a schematic diagram of a connecting sleeve.
  • the arrangement according to the invention realizes a protection concept for fiber optic devices, which ensures adequate personal protection and explosion protection even when using powerful laser sources.
  • the protection concept takes into account both the primary hazard from laser radiation and the secondary hazard from electrostatic charges, potential carryover and the escape of laser light if not handled properly.
  • a method for the spatially extensive detection of operating states by means of laser reflectometry and high laser power in the form of a Raman temperature measuring system is composed of an evaluation device and an optical fiber (temperature sensor) integrated in the sensor cable 9.
  • the evaluation unit consists of various modules (power supply 20, laser unit 11, optical receiver module 13, 17 and signal processor card 16) with electronic and optoelectronic components such as transformers, laser sources, photodetectors, microprocessors, etc.
  • power supply 20 laser unit 11, optical receiver module 13, 17 and signal processor card 16
  • electronic and optoelectronic components such as transformers, laser sources, photodetectors, microprocessors, etc.
  • In order to design the evaluation unit for use in the security zone one is based on commercial techniques such as B. fall back on the pressurized enclosure of the hardware. It is technically less complex to install the evaluation device in a supply room outside the security zone without restricting its functionality.
  • the following explanations describe the measures for the protection concept of the sensor cable 9 (see FIG. 1).
  • the light energy is guided in the longitudinal direction in the longitudinal direction with very little attenuation.
  • the light scattered laterally from the glass fiber of the optical waveguide is in undisturbed condition, even with the Use of powerful laser sources, negligibly small.
  • the laser power does not pose any danger if the fiber optic connection between the evaluation device and the sensor cable is properly connected and there is no damage to the sensor cable in the longitudinal direction.
  • FIG. 1 shows components of the arrangement with a security zone. Personal protection is given immediately. According to FIG. 1, only the sensor cable 9 and the measurement object to be measured are placed in the security zone 50.
  • Figure 1 shows the internal electronic interface 1 of the error management system 2 of the measuring system (status messages, parameterization, configuration, etc.
  • the electronic error management system 2 with event processing (laser shutdown, switching to redundant measuring system etc.), the electronic error detection 3 and the monitoring (based on the intrinsic and / or extrinsic sensor principle using an intrinsically safe laser system), the intrinsic error detection and processing 4 from the raw measurement data of the sensor system, the interface 5 between the measuring device and the sensor cable (laser locking, connector locking, optical switch and switch etc.) a connecting sleeve 6 with connection of the sensor cable surface to earth potential, a connecting sleeve 7 lying in the security area 50, a closing sleeve 8 and the sensor cable 9 with its protective measures (rope assembly, protection against electrostatic charges, markings).
  • the electronic error management system 2 with event processing laser shutdown, switching to redundant measuring system etc.
  • the electronic error detection 3 and the monitoring based on the intrinsic and / or extrinsic sensor principle using an intrinsically safe laser system
  • the intrinsic error detection and processing 4 from the raw measurement data of the sensor system the interface 5 between the measuring device and the sensor cable (la
  • One embodiment is fiber breakage detection in the sensor cable without the use of an additional glass fiber (intrinsic fiber breakage detection).
  • a special feature of the OFDR temperature method is the correspondence relationship between the spatial and frequency space, which can be used for the detection of the fiber breakage of the measuring fiber 24.
  • the light backscattered from the measuring fiber 24 is proportional to the fiber length and the DC component of the frequency spectrum.
  • laser light is coupled out and light reflection (Fresnel reflection) occurs at the interface between the glass fiber and the atmosphere.
  • the reflection point in the frequency spectrum already generates a characteristic beat which can be clearly identified by comparison (pattern recognition) with a frequency spectrum without beat after a few measurement points. This happens within a fraction of an entire measurement interval.
  • Figures 2 and 3 show the measurement signal in the two cases.
  • the detection of the fiber break is also possible by evaluating the local backscatter curve (based on the decrease in power of the backscattered laser light along the glass fiber path). With the OFDR method, this is possible after a complete measurement interval.
  • the measurement interval includes recording and processing the complete frequency spectrum and then calculating the Fourier transform.
  • an additional photodetector at the end of the measurement fiber can detect a fiber break that does not detect laser light in the event of fiber damage.
  • a photodetector can be integrated in the closure sleeve 8.
  • a second optical system 10 can be used which acts on the same measurement fiber 24.
  • This is preferably also a laser light system, expediently an intrinsically safe radiation source.
  • the wavelength of the second laser system 10 is chosen so that there is no spectral influence (optical crosstalk) of the two laser measuring systems.
  • the optical coupling of both systems takes place via an i. a. fiber optic beam splitter 18 with components such as power couplers, wavelength division multiplexers etc.
  • the fiber breakage detection takes place with the second optical system 10 analogous to the intrinsic fiber breakage detection described above by evaluating the backscattered frequency data, and / or by evaluating the backscattering curves (backscattering reflectors according to the 0FDR or 0TDR method) and / or by a transmission measurement.
  • FIG. 4 shows a possible structure of the arrangement.
  • a further optical fiber 26 is carried along in the loop, through which a modulated laser signal is passed, which does not have enough energy to ignite an explosive atmosphere.
  • the laser signal is received by an evaluation unit.
  • the optical signal is converted into an electrical signal.
  • the output variables control several mutually independent shutdown elements 22. These each fulfill an intrinsically safe switch-off function of the powerful laser 11 of the measuring system.
  • the switch-off elements attack various sub-functions necessary for the operation of the powerful laser. These are e.g. the voltage supply 20 of the electronics of the measuring system, the current path to the laser diode, the optical path of the laser diode light or the sources for the laser diode current.
  • each shutdown path is subject to the condition that the maximum time between the event and actual present shutdown is sufficiently low with regard to the ignition potential to be suppressed, for example less than 10 ms.
  • Switching off the voltage supply 20 of the electronics which leads to an exponential voltage drop in the potential due to the discharge of capacitive elements 19, acts on the elements to be switched off with a time delay determined by the time constant of the overall circuit.
  • a special discharge mechanism FIG. 10
  • the time constant and thus the time delay compared to switching off the voltage supply with a conventional switch can be significantly reduced.
  • a switch When switched off, a switch separates the supply path from the supply. Then a make contact switches the supply path to ground with a defined time delay.
  • the peculiarity of the implementation consists in the consideration of the application-specific demands for failure and intrinsic safety. These can be achieved through special circuit implementation, component selection and additional measures for error detection, e.g. limitation of the probability of failure by minimizing the circuit complexity, intrinsically safe design, use of suitable Photomos relays 22 with technology-specific different switch-on and switch-off times to implement a switch, connection of the switch-off implementation an external test circuit to detect otherwise undetected faults.
  • the functional test during commissioning and regular maintenance includes, among other things, the time measurement from the triggering to the actual shutdown.
  • a verification can be carried out by determining the "slowest” if it is ensured that if a single fault occurs, the maximum permissible switch-off time would be exceeded.
  • Status messages from the shutdown device 21 can be output to the measuring system via interfaces for further error handling, but do not influence the function of the protective shutdown.
  • extrinsic fiber break detection Another embodiment is fiber break detection with additional glass fiber (so-called extrinsic fiber break detection).
  • an intrinsically safe radiation source 10 as a second laser system
  • an additional glass fiber also referred to as protective fiber 26
  • protective fiber 26 there is the possibility of indirect fiber breakage detection by means of backscatter measurement or transmission measurement.
  • a prerequisite for this indirect (extrinsic) fault detection is a very close spatial arrangement of protective fiber 26 and measuring fiber 24 in the sensor cable 9 in combination with mechanical measures. In the event of damage to the sensor cable 9, both fibers should break or cut almost simultaneously.
  • FIG. 5 shows the associated arrangement of the transmission measurement with a loop arrangement.
  • two fibers 26 are guided along the measuring section and their ends are connected to one another at the end of the measuring section.
  • the connection can be a splice or a mirror system.
  • the protective fiber formed over the loop thus forms a continuous unit with an optical outward and an optical return path.
  • the feedback signal can be designed electrically. It is formed by a photodetector at the end of the leading fiber and passed to the arrangement for evaluation via an electrical conductor (instead of the returning glass fiber).
  • a fiber break along the measurement section can be measured and recognized intrinsically (without additional protective fiber 26) or extrinsically (with additional protective fiber 26).
  • additional protective fiber 26 With the indirect method with protective fiber 26, the requirement for a close spatial location of measurement and protective fiber must be met, so in the case mechanical action, both fibers are cut almost simultaneously, which the system automatically recognizes and treats as an error.
  • measuring fiber 24 and protective fiber 26 are twisted in the longitudinal direction, glued etc. and are protected by an additional outer jacket. Because of the small geometrical transverse dimensions of the fibers (each 250 ⁇ m in outside diameter), the requirement for close proximity can easily be met. Alternatively, it is a single special optical fiber in which at least two fiber cores are formed in the immediate vicinity. So only one fiber is required. The optical path of the measuring system and that of the protection system runs through the fiber cores of the special fiber. In a further form, the two fibers are accommodated in a thin metallic tube 27, which has an outside diameter in the millimeter range (1 to 3 mm). Such metal tubes 27 are easy to accommodate in a hermetically enveloping outer jacket (or installation tube).
  • one of the core elements described in possible cable constructions ensures, on the one hand, a high level of mechanical protection against damage and, on the other hand, prevents laser beams from escaping.
  • a further design feature for cable constructions that can be used for security areas should take into account that intrusion or carryover of explosive gases inside the sensor cable or into or through the core element 31 is reliably prevented.
  • Two further examples of possible sensor cable designs are presented below.
  • Figure 6 a construction with stranding (rope bandage) is shown.
  • the core element consists of a steel tube 27 with small external dimensions, in which the measuring fiber 24 and two protective fibers 26 (for the transmission measurement) are located within a temperature and moisture-resistant gel.
  • the core element is embedded in a bandage of six steel wires 29.
  • the bandage is covered by one or two further sheaths 28.
  • the sheaths can be adapted to special properties.
  • the inner layer has a good heat conduction property and the outer layer has a good absorption capacity for radiant heat.
  • An important requirement for potentially explosive safety areas 50 is to exclude electrostatic charges with certainty. Charges can occur due to frictional electricity, especially during installation. With an electrically conductive surface 28 and contacting the surface with earth potential, a high degree of dissipation behavior against electrostatic charges is achieved.
  • FIG. 7 shows another construction of a protective tube system (two-chamber system).
  • the core element 31 is comparable to that in FIG. 6 and is surrounded by a protective jacket to increase the mechanical strength.
  • the actual sensor cable is relatively loose in an additional tube, for example a stainless steel tube, which can be operated with pressurized encapsulation depending on the application, so that no flammable gases can diffuse in the tube system and continue to flow in the core element.
  • the mechanical state of the outer tube can also be monitored with sensors 30. With this construction the sensor cable can be drawn in or blown into a security area 50 together with the installation tube or only later after the installation tube has been installed in the latter.
  • Application and product-specific protection mechanisms are appropriately implemented in the arrangement.
  • This includes, in particular, mechanically lockable fiber connectors for coupling to the device housing or for coupling cable sections to one another.
  • This provides additional personal protection. Because replacing or connecting faulty or non-system sensor cables must be excluded.
  • the use of special key switches for laser locking analogous to the lockable fiber connector can be advantageous.
  • Special constructions, in particular pressure encapsulation of the connection and termination units of the cable for use in security area 50, hazard identification by text and coloring (imprint, sticker) on the sensor cable and accessories as well as on the sleeves as additional personal protection to prevent accidental cutting of the measuring cable (e.g.
  • a conductive surface of the sensor cable to avoid electrostatic charging e.g. outer sheath made of graphitized plastic or compound plastic
  • a monitoring unit for the Protective fiber that ensures that there is no confusion between measuring fiber and protective fiber or that a properly tested protective fiber is used.
  • the purpose of the monitoring is in particular to exclude faulty or erroneous fiber-optic bridges on the evaluation device.
  • a plausibility comparison can be carried out by measuring the time of the light in the protective fiber and / or spectrally measuring the laser light (pump light) after wavelength-selective superposition of the two laser systems. With this type of surveillance you can Among other things, errors such as stray light coupling of the measuring fiber light into the protective fiber are discovered at the end of the measuring section.
  • a sensor cable for the following loads is described below. Mechanical impact tested for 20 joules of impact energy (hemispherical impact surface, 25mm diameter), crushing tested for 1.5 kN, and bending with cold bending test for minimum bending radius.
  • the optical fiber-guiding stainless steel tube is additionally stranded with 6 wires, so that the stainless steel tube 27 is surrounded by the wires 29 in a hexagonal-tight arrangement in the cross section of the cable.
  • a force acting on the sensor cable 9 is thus predominantly absorbed by the stranding wires and guided around the stainless steel tube, so that only a small part of the deformation energy actually reaches the stainless steel tube. This effect is supported by a slightly larger diameter of the stranding wires, which leaves a certain “play” of the stainless steel tube within the hollow space created by the stranding wires 29.
  • the stranding becomes of the stainless steel tube 27 with a specific "lay length", ie the stranding wires run around the stainless steel tube by 360 ° for a specific length period. This significantly increases the resistance of the sensor cable structure to bending. A lay length ratio of approx. 12 has increased for this Proven purpose.
  • the following materials are suitable for the stranding wires: Stalum or ACS (aluminum-coated steel wire), Aldrey (aluminum-magnesium-silicon alloy), and pure aluminum.
  • Stalum or ACS aluminum-coated steel wire
  • Aldrey aluminum-magnesium-silicon alloy
  • pure aluminum For application areas in the low temperature range, it has proven to be useful to additionally provide the stranded sensor cable with an outer plastic layer. However, plastics can also be effective sources of ignition due to local electrostatic discharges. The electrostatic charge can be minimized by adding appropriate additives to the extrusion mixture.
  • alkyl amines or amides as well as specific sterates (salts of steric acid) which have the property of diffusing to the surface of the plastic after extrusion and binding atmospheric water surrounding them due to their polar properties and thus binding the surface to significantly increase the conductivity of the plastic.
  • Another possibility is the subsequent graphitization of the plastic, i.e. the application of conductive carbon to the surface of the plastic.
  • the sensor cable 9 when using the sensor cable 9 without additional plastic sheathing, the sensor cable may be at an increased potential due to the occurrence of a rare malfunction, whereby a spark-generating discharge is possible, which leads to an ignition of an explosive atmosphere.
  • the sensor cable is grounded with a special design of the connecting sleeve 6 via the stainless steel tube 27 (FIG. 11).
  • the electronic fault management system 2 is a further element of a functional protection concept for the arrangement.
  • Event processing 38 integrated in error management can take place in software, hardware or a combination of both, depending on the application and requirement.
  • the principle of suitable event processing is the integration of different functions and states in the process flow of the measuring arrangement. A typical process flow is in the to find the EP document cited at the beginning, where detection, reporting, checking and handling of errors are also proposed.
  • the error handling is extended to the special requirements for use in security zones.
  • the principle of event processing of the error management system is shown in FIG.
  • a special feature of the fault management system 2 is the possibility of making system configurations. Decision criteria based on the operating status can be taken into account and implemented.
  • the aim of the invention is of course to control all errors that affect the potential risk in the security area. Measures that are carried out automatically by the event processing depend on the laser sources used and the different normal and faulty operating states. For example, the system can be set such that in the event of errors, the laser must be switched off or the power reduced, a switchover to a second redundant system and / or the measurement time changed or reduced.

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Abstract

Zur Verbesserung ihres Einsatzbereiches wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen mittels Laser-Reflektometrie und hoher Laserleistung über einen räumlich ausgedehnten Bereich, bei dem von wenigstens einer ersten Strahlvorrichtung (11) eine optische Strahlung in wenigstens ein optional anschliessbares optisches Leitmittel (24) ausgesandt und zumindest eine Rückstrahlung aus dem optischen Leitmittel zur Bildung eines Messsignals erfasst wird, vorgeschlagen, bei dem zusätzlich zu dem Messsignal ein Störsignal erfasst wird, wenn infolge Beschädigung oder Unterbrechung des wenigstens einen optischen Leitmittel mit einem erheblichen Austritt von optischer Strahlung aus dem Leitmittel zu rechnen ist, oder ein Betriebssignal, wenn eine Beschädigung oder Unterbrechung des wenigstens einen langgestreckten optischen Leitmittel als ausgeschlossen erkannt wurde, und dass bei Erfassung des Störsignals die Strahlungsleistung der ersten Strahlvorrichtung auf nicht mehr als 35 mW verringert oder die erste Strahlvorrichtung abgeschaltet wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur räumlich ausgedehnten Erfassung von Betriebszustanden mittels Laser-Reflektometrie und hoher Laserleistung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlich ausgedehnten Erfassung von Betriebszustanden mittels Laser- Reflektometrie und hoher Laserleistung, beispielsweise zur Temperatur-, Kraft- oder Feuchtemessung.
Bekannt sind Temperaturmesssysteme mittels Laser-Reflektometrie beispielsweise aus EP 0692705 AI.
Die Temperaturermittlung erfolgt in der Auswertung eines schwachen Rückstreusignals (Raan-Streuung). Die Intensität des Rückstreusignals ist abhängig von der Intensität des eingestrahlten Laserlichts. Daher wird bevorzugt eine hohe Laserleistung eingesetzt. Ein solches Temperaturmesssystem ist in Raumzonen nicht einsetzbar, in denen eine hohe Laserleistung unerwünscht oder unerlaubt ist. Beispielsweise muss aus Gründen des Personenschutzes oder der Einhaltung von Sicherheitsvorschriften, z.B. in Bereichen mit explosionsgefährdender Exposition, die Laserleistung unterhalb einer bestimmten Leistungsschwelle gehalten werden.
Im Anlagenbereich ist die Explosionsgefahr durch Entzündung explosionsfähiger Gas-Luft-Gemische die primäre Gefährdung. Ein Explosionsschutz soll durch Einhaltung von speziellen Bauvorschriften und durch die Begrenzung der maximal auftretenden Oberflächentemperaturen beim Betrieb gegeben sein, die unterhalb der Mindestzündtemperatur der in Betracht kommenden Gasgemisches liegen soll. Eine Zündung eines solchen Gasgemisches kann allerdings auch durch Funkenbildung verursacht werden, z.B. durch mechanische Funkenbildung oder elektrische Funkenbildung infolge elektrostatischer Entladung.
Nach deutschen Richtlinien werden nur Dauerlichtquellen mit einer maximalen Lichtleistung von 35 mW und einige weitere, z. B. optische Laser mit einer Pulsbreite von > 5 s, als sogenannte eigensichere Strahlungsquellen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen anerkannt. Bei größeren Lichtleistungen besteht die Gefahr, dass durch die Strahlung Festkörperoberflächen, Staubpartikel oder verschmutzte lichtdurchlässige Teile lokal so weit erwärmt werden, dass die Mindestzündtemperatur erreicht wird.
Bezüglich des Personenschutzes besteht in erster Linie die Gefahr von irreparabler Augenschädigung. Die maximal zulässige Bestrahlung stellt im Sinne der geltenden UnfallVerhütungsvorschrift einen Grenzwert für eine ungefährliche Bestrahlung des Auges oder der Haut dar, die abhängig von Wellenlänge und Einwirkdauer ermittelt wird.
Durch diese Vorgaben ist die Einsatzmöglichkeit der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art begrenzt.
Stand der Technik
In EP 0692705 AI ist ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines streckenabhängigen Temperaturprofils entlang eines Lichtwellenleiters ausführlich beschrieben.
Weiterhin ist aus EP 0692705 AI ein Verfahren und eine Messeinrichtung mit Einrichtungen zur Bestimmung eines streckenabhängigen Messprofils zur Erkennung einer Einwirkung von Feuchte oder Kräften auf den Lichtwellenleiter bekannt.
Dabei basiert das in der EP 0692705 AI beschriebene Verfahren zur Temperaturbestimmung auf der Erfassung der Intensität des Rückstreulichtes im spektralen Raman-Band, während das dort beschriebene Verfahren zur Messung von Feuchte- oder Krafteinwirkung aus der wellenlängenselektiven Auskopplung von Raman-, vorzugsweise Rayleigh- Streulicht erfolgt.
Ein solches Messsystem soll bestehen aus einem optischen Sender (FMCW- Laserquelle), einer spektralen Vorfilterung und einer Nachfilterung, einer faseroptischen Messstrecke (Lichtwellenleiter) und einer zweikanal igen Empfängereinheit, bestehend aus je einer Photodiode und je einem HF- (Hochfrequenz) -Mischer. Die beiden Kanäle der Empfängereinheit entsprechen dem Laufweg des Lichts des Messbandes und dem des Referenzbandes.
Parallel zu den erwähnten Kanälen verläuft ein Referenzkanal, dessen Licht mittels Leistungskoppler aus dem Primärstrahlengang entnommen wird und ebenfalls auf eine Photodiode trifft und an die Empfängereinheit weitergegeben wird. Die Signale aus den drei Kanälen laufen dann über eine Schnittstelle in die numerische Weiterverabeitung, vorzugsweise in einem PC. Diese besteht aus der Fensterung der Messsignale, einer Fast Fourier Transformation (FFT), einer Signalmittelung und der abschl ießenden EDV-Bearbeitung.
Laserquellen besitzen aufgrund ihrer Resonatorstruktur ein kammartiges (longitudinales) Modenspektrum. Die Strahlungsleistung wird nicht nur bei der Emissionswellenlänge 10 (Hauptmodus) geführt, sondern verteilt sich auf die nächstliegenden Nebenmoden. Die Lage dieser Ausläufer fällt in den Spektralbereich des zu erwartenden Raman-Streulichtes. Aus diesem Grund wird das frequenzmodulierte Laserlicht vor der Einkopplung in die Glasfaserleitung mit z.B. einem Absorptionsfilter vorgefiltert. Das aus der Faser rückgestreute Licht wird mit Hilfe beispielsweise zweier Wavelength Division Multiplexing-(WDM) -Filter so bewertet bzw. vorgefiltert, dass die Spektralanteile bei der Laserwellenlänge 10 passieren und das Raman-Streulicht der Stokes- und Anti-Stokes-Linie zum jeweiligen Ausgang transferiert wird. In der Nachfilterung wird das Laserlicht und das Rayleigh-Streulicht unterdrückt, und in jeweils einem Kanal nur selektiv Raman-Streulicht durchgelassen.
Das Messlicht der Stokes- und der Anti-Stokes-Linie des Raman- Streulichtes gelangt auf die beiden lichtempfindlichen Dioden. Die elektrischen Signale werden verstärkt und mit dem Modulationssignal der Laseransteuerung in den niederfrequenten Spektralbereich gemischt und über die Rechnerschnittstelle an den FFT-Analysator übergeben.
Vorzugsweise für eine Feuchtemessung soll das Spektralband (als Messband) der Absorption des in das Rückstreumedium eingelagerten Wasserstoffs und als Referenzband ein Spektralband verwendet werden, welches möglichst ohne Einfluss der Absorption des eingelagerten Wasserstoffs ist. Die Maxima der Absorptionsbanden des Wasserstoffs sind bekannt und liegen etwa bei 1.240 nm (beispielsweise für die reversible Einlagerung von Wasserstoff in Quarz) bzw. bei 1.390 nm (beispielsweise irreversible Einlagerung). Das Referenzband sollte möglichst von den Absorptionsbanden weit entfernt liegen, um ihren Einfluss zu minimieren.
Vorzugsweise wird als Rückstreumedium ein Lichtwellenleiter benutzt, der aus einem örtlich hin- und rückführenden Strang besteht und der am Ende der Messstrecke über eine Schlaufe läuft, so dass beide Stränge etwa dieselbe örtliche Lage einnehmen. Vorzugsweise wird einer der Stränge gegen Feuchteeinwirkung hermetisch abgeschirmt, was sich beispielsweise dadurch erreichen lässt, dass dieser Strang in einem Mantel liegt, welcher undurchlässig gegen Feuchte ist (z. B. aus Edelstahl).
Vorzugsweise soll für Kraftmessung als Messband Licht einer festen, hohen Wellenlänge (etwa 1.550 nm oder 1.650 nm) benutzt werden, das vom Rückstreumedium möglichst schwach geführt und als Referenzband Licht mit einer Wellenlänge, das im Rückstreumedium möglichst stark geführt wird (etwa 980 nm, 1.064 nm, 1.300 nm). In der Messfaser werden physikalisch micro-bending-Störungen zur Messung ausgenutzt.
Das zweite beschriebene Verfahren kann mit den hierfür aufgeführten Verfahrensschritten auch zur Temperaturmessung verwendet werden, wobei temperaturabhängige Eigenschaften, insbesondere Ausdehnungskoeffizienten des Coatings von Lichtwellenleitern, ausgenutzt werden. Temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten bewirken die temperaturabhängige Zu- oder Abnahme von Druckkräften auf den Lichtwellenleiter, wodurch indirekt über den Krafteinfluss Temperatur messbar wird.
Das in der EP 0692705 AI beschriebene Messprinzip wird auch als optische Frequenzbereichsreflektomie bezeichnet (Optical frequency domain reflectoetry) und mit 0FDR abgekürzt.
Sowohl bei den in EP 0692705 AI beschriebenen Messverfahren als auch in den weiteren Messverfahren, die in der Beschreibungseinleitung zu EP 0692705 AI genannt sind und deren Messprinzip auf der Ausnutzung von intrinsisehen Streuprozessen von Quarzglasfasern beruhen, nämlich der Raman- oder Brillouin-Streuung, ist die Tatsache, dass für die Messung eines Parameters bzw. einer physikalischen Größe jeweils ein komplettes entsprechend angepasstes Messsystem mit entsprechendem Investitionsaufwand erforderlich ist. Weiterhin ist für ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung, z. B. zur Brandüberwachung von Verkehrstunneln, ein System sowie ein faseroptisches Kabel beschrieben in der Broschüre FP 595 eD der Siemens Building Technologies AG, Männedorf, CH, wobei das dort beschriebene Lichtleiterkabel eine Röhre aus einem korrosionsbeständigen Stahl aufweist, in dem sich eine oder mehrere Glasfasern befinden, und wobei die Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl mit einer Kunststoffummantelung versehen ist. Die Kunststoffum antelung dient dabei zur Wärmeleitung von Umgebungswärme auf die Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl sowie auch zur Absorption von auftreffender Strahlungswärme, um im Bereich von Wärmestrahlung eine Erwärmung der Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl zu erhalten.
Solche Systeme werden vor allem dann interessant, wenn längere Messstrecken zu beobachten sind. Wegen der geringen Intensität des Nutzsignals der Raman-Streuung werden für solche Verfahren und Vorrichtungen daher relativ leistungsstarke Dauerstrich-Laserquellen, meist der Klasse 3B entsprechend ca. 500 mW Strahl1eistung, eingesetzt.
Wegen der Gefahr einer Beschädigung oder dem Bruch eines Lichtwellenleiters und der damit verbundenen Gefahr eines Austritts der intensiven Laserstrahlung aus dem Lichtleiter, können solche Systeme nicht in Bereichen eingesetzt werden, bei denen eine Exposition der Messstrecke gegenüber explosiven Umgebungsbedingungen oder Personen der Gefahr einer Exposition durch die an der Schadstelle austretende Laserstrahlung besteht.
Beschreibung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, die einen erweiterten Einsatzbereich solcher Verfahren und Vorrichtungen auch unter explosionsgefährlichen Umgebungsbedingungen oder unter besonderen Anforderungen hinsichtlich des Personenschutzes erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Betriebszustanden mittels Laser-Reflektometrie und hoher Laserleistung über einen räumlich ausgedehnten Bereich, bei dem von wenigstens einer ersten StrahlVorrichtung () eine optische Strahlung in wenigstens ein optional anschließbares optisches Leitmittel 0 ausgesandt und zumindest eine Rückstrahlung aus dem optischen Leitmittel () zur Bildung eines Messsignals erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Messsignal ein Störsignal erfasst wird, wenn infolge Beschädigung oder Unterbrechung des wenigstens einen optischen Leitmittels 0 mit einem erheblichen Austritt von optischer Strahlung aus dem Leitmittel zu rechnen ist, oder ein Betriebssignal, wenn eine Beschädigung oder Unterbrechung des wenigstens einen langgestreckten optischen Leitmittel als ausgeschlossen erkannt wurde, und dass bei Erfassung des Störsignals die Strahlungsleistung der ersten StrahlVorrichtung auf nicht mehr als 35 mW verringert oder die erste StrahlVorrichtung abgeschaltet wird.
Diese Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszustanden mittels Laser-Reflektometrie und hoher Laserleistung über einen räumlich ausgedehnten Bereich, enthaltend wenigstens eine erste StrahlVorrichtung () zur Aussendung einer optischen Strahlung, wenigstens ein optional anschließbares optisches Leitmittel 0, und zumindest eine Einrichtung () zur Erfassung von Rückstrahlung aus dem optischen Leitmittel 0 zur Bildung eines Messsignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner wenigstens eine Erfassungsvorrichtung für ein Störsignal und/oder ein Betriebssignal aufweist und eine Schaltung zur Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung. Mit der Erfindung ist es nunmehr möglich, faseroptische Messsysteme, die mit einer höheren Strahlungsleistung arbeiten, z. B. einen Raman- Temperatursensor wie in EP 0692705 AI beschrieben, in Sicherheitsbereichen einzusetzen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung ist nicht nur die Erfüllung von Vorschriften möglich, sondern auch ein sicherer und wirtschaftlicher Betrieb.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung ein oder mehrere Abschaltorgane aufweist, die unabhängig ansteuerbar sind und von denen jedes einzelne eine Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung bewirkt. Dadurch lässt sich nicht nur eine besonders schnelle und wirksame Abschaltung der ersten StrahlVorrichtung erreichen, sondern durch die redundante Abschaltung ist selbst dann eine sichere Abschaltung und damit die Systemsicherheit gewährleistet, wenn eines der Abschaltorgane ausfallen sollte, insbesondere wenn die ein oder mehreren Abschaltorgane redundant ansteuerbar sind. Vorteilhaft sind die Strahl- und die Erfassungsvorrichtung ausfall- und fehlerredundant ausgebildet.
Besonders zuverlässig und einfach ansteuerbar ist es, wenn die ein oder mehreren Abschaltorgane durch PhotoMOS-Relais gebildet sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung innerhalb von nicht mehr als 10 ms erfolgt. Dadurch ist auch eine sichere Unterdrückung des Zündpotentials bei einem leistungsstärkeren Laser noch gegeben durch Begrenzung der möglicherweise austretenden Strahlungsenergieenge.
Die vorteilhafte Anordnung eines Temperaturmesssystems mittels Laser- Reflektometrie und hoher Laser1eistung zum Einsatz in einer Strahlensicherheitszone mit einer Energieversorgung, einem Mess-, Auswerte- und Signal isierungssystem und einem Sensorkabel zur Erfassung der Temperatur enthaltend mindestens eine Lichtleitfaser zur Führung des Primärstrahls und des Rückstreustrahls umfasst zweckmäßig eine StrahlVorrichtung zur Erzeugung mindestens eines in das Sensorkabel einstrahlbaren KontrollStrahls, eine Erfassungsvorrichtung für ein durch U lenkung, Spiegelung oder Rückführung des KontrollStrahls erzeugtes Rückstrahlsignal und eine KontrollVorrichtung für die Energieversorgung, die bei Ausbleiben des Rückstrahl Signals die in das Sensorkabel eingestrahlte Leistung mindestens auf ein für die Sicherheitszone zulässiges Niveau absenkt oder ausschaltet.
Vorzugsweise sind Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass als Störsignal verschiedene Eingangsgrößen erfassbar sind, insbesondere, wenn die verschiedenen Eingangsgrößen aus dem Messsignal und/oder meinem oder mehreren Prüfsignalen abgeleitet werden.
Bei einer Auswertung der Rohdaten der Rückstrahlung zur Bildung des Messsignals ohne Ausstrahlung einer zusätzlichen Strahlung in das optische Leitmittel (intrinsische Faserbrucherkennung) ist es besonders vorteilhaft, wenn als Eingangsgröße eine für eine Fresnelreflexion charakteristische Schwebung des Rückstreusignals verwendet wird.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Verfahren und Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Strahlungsquelle zur Aussendung eines optischen Kontrollstrahles vorgesehen ist, die von der ersten Strahlungsquelle unabhängig ist, und eine Einrichtung zur Erfassung einer Rück- und/oder Durchgangsstrahlung zur Erzeugung eines Prüfsignals und/oder eines Betriebssignals. Dadurch kann nicht nur eine von der Bildung des Messsignals unabhängige Störungserkennung erfolgen, insbesondere wenn wenigstens ein zusätzliches optisches Leitmittel vorgesehen ist (extrinsische Faserbrucherkennung), sondern es kann auch ein von der eigentlichen Messanordnung völlig autarkes Fehlermanagementsystem realisiert werden, dass beispielsweise auch bei Störung der Netzversorgung vollständig funktionsfähig bleibt.
Besonders sicher sind erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung, wenn die wenigstens eine zweite Strahlungsquelle in Form eines zusätzlichen Lasers vorgesehen ist und der zusätzliche Laser eigensicher ist. Dadurch ist selbst bei völligem Austreten der Strahlung ein Explosions- und Personenschutz gegeben, andererseits kann das System in Betrieb bleiben und so eines Wiederherstellung des beschädigten Leitmittels nach Reparatur überwachen.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn eine Inbetriebnahme der ersten Strahlungsquelle solange ausgeschlossen ist, wie nicht das Betriebssignal erfasst ist.
Die StrahlVorrichtung zur Erzeugung des Kontroll Strahls und die Erfassungsvorrichtung für das Rückstrahl signal sind zweckmäßig unabhängig vom primären Mess-, Auswerte- und Signalisierungssystem ausgestaltet.
Eine besonders einfache Realisierung auch bei langen Erfassungsstrecken ist es dabei, wenn wenigstens ein zusätzliches optisches Leitmittel in
Form einer Schutzfaser () vorgesehen ist, das eine Schleife durch die
Messstrecke bildet. Das optische Leitmittel zum Führen des KontrollStrahls und zur Rückführung des Kontroll Strahls besteht dazu aus einer am Ende des Sensorkabels eine Schleife bildenden Lichtleitfaser (Schutzfaser).
Die StrahlVorrichtung zur Erzeugung des KontrollStrahls und die Erfassungsvorrichtung für das Rückstrahlsignal arbeiten zweckmäßig nach demselben physikalischen Prinzip wie das primäere Mess-, Auswerte- und Signal isierungssystem.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein angepasstes Sensorkabel, welches zumindest den Teil seiner Länge, in der es in der Sicherheitszone verlegbar ist, optische oder optoelektrische Leitmittel zum Führen des KontrollStrahls und des durch Umlenkung, Spiegelung oder Rückführung des KontrollStrahls erzeugten RückstrahlSignals, eine Verriegelung für optische Kuppelelemente, die beim Trennen der Kuppelelemente ein unbeabsichtigtes Austreten von Einstrahlleistung sicher ausschließt, eine Ummantelung, welche Schutz der im Sensorkabel angeordneten optischen und/oder elektrischen Leitmittel gegen Schneidverletzungen mit üblichen Verlegewerkzeugen bietet und Kontaktmittel, über die es mit Erdpotential verbunden ist, umfassen kann.
Ein erfindungsgemäßes Sensorkabel zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorkabel eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern 0 als optischen Leitmitteln aufweist.
Besonders vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Sensorkabel dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorkabel eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern () als optischen Leitmitteln aufweist, von denen wenigstens einer zur Erfassung des Messsignals und wenigstens ein weiterer Lichtwellenleiter zur Bestimmung eines Stör- oder Betriebssignals durch ein erfindungsgemäßes Verfahren geeignet ist.
In einer vorteilhaften und mechanisch besonders stabilen Ausgestaltung eines Sensorkabels ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder mehrere optische Leitmittel innerhalb eines Röhrchens angeordnet und das Röhrchen mit vorzugsweise 6 Drähten zusätzlich verseilt ist, so dass im Querschnitt des Kabels das Edelstahl röhrchen von den Drähten in hexagonal -dichter Anordnung umgeben ist, insbesondere, wenn die Verseilung mit einem Schlaglängenverhältnis von ca. 12 ausgeführt ist.
Zweckmäßig sind bestehen Verseildrahte aus aluminiumbeschichtetem Stahldraht, einer Aluminium - Magnesium- Silizium - Legierung oder reinem Aluminium.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erfindungsgemäßes Sensorkabel dadurch gekennzeichnet, dass das optische Leitmittel zum Führen eines KontrollStrahls und zur Rückführung des KontrollStrahls aus einer einzigen Lichtleitfaser mit mindestens zwei Faserkernen besteht.
Für Applikationsbereiche im Niedertemperaturbereich hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass das verseilte Sensorkabel zusätzlich mit einer äußeren Kunststoffschicht versehen ist.
Um zu vermeiden, dass durch lokale elektrostatische Entladungen der Kunststoffschicht eine Entzündungsgefahr ausgehen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Kunststoffschicht durch Zugabe von Alkylaminen oder -amiden, und/oder Steraten, und/oder Graphitierung leitfähig gemacht ist.
Insbesondere beim Einsatz des Sensorkabels ohne zusätzliche Kunststoffummantelung kann durch das Auftreten einer seltenen Betriebsstörung das Sensorkabel auf einem erhöhten Potential liegen, wodurch eine funkenbildende Entladung möglich wird, die zu einer Zündung von explosionsfähiger Atmosphäre führt. Dies kann vermieden werden, wenn das verseilte Sensorkabel zusätzlich mit einer Verbindungsmuffe versehen ist, wobei das Röhrchen und/oder die äußere Kunststoffschicht elektrisch leitend mit einer auf Erdpotential liegenden Anschlussklemme der Verbindungsmuffe verbunden ist.
Schutz bei fehlerhafter Handhabung bei Montage oder Gebrauch eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art kann erhalten werden, wenn das Sensorkabel über mechanisch gegen unbefugtes Lösen verriegelte Steckverbindungen mit der Vorrichtung verbunden ist und/oder die Steckverbindung mit einem elektrischen Kontakt zur Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung versehen ist.
Wirtschaftlich und technisch besonders sinnvoll kann die Erfindung umgesetzt werden bei einer Vorrichtung oder einem Verfahren wie zuvor beschrieben, das gekennzeichnet ist durch die Verwendung wenigstens eines erfindungsgemäßen Sensorkabels.
Als weitere Ausgestaltung kann das optische Leitmittel zum Führen des Kontroll Strahls kann eine Lichtleitfaser sein, das Leitmittel zur Führung des RückstrahlSignals kann ein elektrischer Leiter sein und am Ende des Sensorkabels kann ein optoelektrisches Element angeordnet sein, welches das Kontrollstrahl licht in ein elektrisches Signal zur Einspeisung in den elektrischen Leiter umwandelt.
Die Messlichtleitfaser und die Schutzfaser können in enger Nachbarschaft miteinander in einem Verseilverband im Sensorkabel integriert sein. Die im Sensorkabel integrierte oder integrierten Lichtleitfasern werden von einer Lage Metalldrahte oder von einem Metall röhrchen geschützt. Darüber ist vorzugsweise eine Kunststoffummantelung angeordnet. Die Kunststoffummantelung kann leitfähig ausgebildet oder beschichtet sein. Diese Schicht wird elektrisch, vorzugsweise zusammen mit dem Gehäuse der Messanordnung, mit Erdpotential verbunden. Das Sensorkabel kann dennoch flexibel sein und ist noch bequem zur Verlegung biegbar.
Es folgt die Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren. Diese zeigen im Einzelnen:
Figur 1: eine Übersicht der Komponenten einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Figur 2a: ein Referenzsignal im Frequenzraum (ohne Fresnel - Reflexionen entlang der Messstrecke),
Figur 2b: ein Messsignal bei Faserbruch (Fresnel -Reflexionen unmittelbar am Faserende der Messstrecke),
Figur 3a: eine korrespondierende Rückstreukurve (ohne Fresnel - Reflexionen entlang der Messstrecke),
Figur 3b: eine korrespondierende Rückstreukurve (Fresnel - Reflexionen unmittelbar am Faserende),
Figur 4: eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur intrinsisehen Faserbruchüberwachung,
Figur 5: eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur extrinsisehen Faserbruchüberwachung (Transmissionsmessung hier in
Schleifenanordnung) ,
Figur 6: eine erfindungsgemäße Sensorkabelkonstruktion mit Seilverband,
Figur 7: eine erfindungsgemäße Sensorkabelkonstruktion mit Schutzrohr und Überdruckkapselung,
Figur 8: eine Prinzipskizze der Funktionen des Fehlermanagementsystems, Figur 9 eine Prinzipskizze einer Abschalteinrichtung,
Figur 10 eine Prinzipskizze eines Entlademechanismus, und
Figur 11 eine Prinzipskizze einer Verbindungsmuffe.
Die erfindungsgemäße Anordnung realisiert ein Schutzkonzept für faseroptische Einrichtungen, das auch bei der Verwendung von leistungsstarken Laserquellen einen ausreichenden Personenschutz und Explosionsschutz gewährleistet. Das Schutzkonzept berücksichtigt sowohl die primäre Gefährdung durch Laserstrahlung als auch die sekundäre Gefährdung durch elektrostatische Aufladungen, PotentialVerschleppungen sowie den Austritt von Laserlicht bei nicht fachgerechter Handhabung.
Ein Verfahren zur räumlich ausgedehnten Erfassung von Betriebszustanden mittels Laser-Reflektometrie und hoher Laserleistung in Form eines Raman-Temperaturmesssystems setzt sich zusammen aus einem Auswertegerät und einer im Sensorkabel 9 integrierten Glasfaser (Temperatursensor). Das Auswertegerät besteht aus verschiedenen Baugruppen (Netzversorgung 20, Lasereinheit 11, optisches Empfangsmodul 13, 17 und Signalprozessorkarte 16) mit elektronischen und optoelektronischen Bauteilen wie Transformatoren, Laserquelle, Photodetektoren, Mikroprozessor, etc. Um das Auswertegerät für den Einsatz in der Sicherheitszone auszulegen, kann man auf kommerzielle Techniken wie z. B. die Überdruckkapselung der Hardware zurückgreifen. Technisch weniger aufwendig ist es, das Auswertegerät ohne Einschränkung der Funktionsweise in einem Versorgungsraum außerhalb der Sicherheitszone zu installieren.
Die nachfolgenden Ausführungen beschreiben die Maßnahmen für das Schutzkonzept des Sensorkabels 9 (siehe Figur 1). In dem Lichtwellenleiter wird in Längsrichtung die Lichtenergie mit sehr geringer Dämpfung geführt. Das aus der Glasfaser des Lichtwellenleiters seitlich gestreute Licht ist im ungestörten Zustand, auch bei der Verwendung von leistungsstarken Laserquellen, vernachlässigbar klein. Die Laser1eistung stellt keine Gefahr dar, wenn die Glasfaserverbindung zwischen Auswertegerät und Sensorkabel fachgerecht angeschlossen ist und keine Beschädigung des Sensorkabels in Längsrichtung vorliegt.
Es besteht aber auch dann keine Gefahr durch austretende Laserstrahlung, wenn unmittelbar nach einer Beschädigung des Kabels oder Öffnen der Glasfaserstrecke der Laser schnell genug abgeschaltet bzw. die Laserleistung ausreichend reduziert wird. Dies kann erreicht werden durch ein kombiniertes Schutzkonzept, bei dem aktiver Schutz durch eine hinreichend schnelle Abschaltung des Gefährdungspotentials (Implementierung eines Fehlermanagements mit intrinsisehen oder und extrinsisehen Faserbrucherkennung) nach Beschädigung bzw. Öffnen der Sensorkabelstrecke und zusätzlicher passiver (mechanischer) Schutz der Glasfaser durch Verwendung von speziellen Kabel Konstruktionen (z. B. Glasfaser eingebettet in einem hermetisch umhüllenden Seilverband) erreicht wird, sowie gleichzeitige Berücksichtigung des sekundären Gefährdungspotentials (hervorgerufen durch nicht fachgerechte Handhabung) durch die Implementierung von anwendungs- und produktionsspezifischen Schutzmechanismen (z. B. abschließbarer Faserstecker, Verbindungs- und Abschlusseinheiten für das Kabel, spezielles Erdungskonzept zur galvanischen Trennung von Auswertegerät und Sensorkabel, Verwendung von speziellen Materialien innerhalb des Sensorkabels zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen, etc.) erfolgt.
Die Figur 1 zeigt Komponenten der Anordnung mit Sicherheitszone. Der Personenschutz ist unmittelbar gegeben. Nach Figur 1 ist nur das Sensorkabel 9 und das zu messende Messobjekt in der Sicherheitszone 50 platziert. Figur 1 zeigt die interne elektronische Schnittstelle 1 des FehlermanagentSystems 2 des Messsystems (Statusmeldungen, Parametrierung, Konfiguration, etc. wie in EP 0692705 AI) , das elektronische Fehlermanagementsystem 2 mit Ereignisverarbeitung (Laserabschaltung, Umschaltung auf redundantes Messsystem etc.), die elektronische Fehlererkennung 3 und die Überwachung (basierend auf intrinsischem und/oder extrinsische Sensorprinzip mittels eigensicherem Lasersystem), die intrinsische Fehlererkennung und -Verarbeitung 4 aus den Rohmessdaten des Sensorsystems, die Schnittstelle 5 zwischen Messgerät und Sensorkabel (Laserverriegelung, Steckerverriegelung, optischer Um- und Ausschalter etc.) eine Verbindungsmuffe 6 mit Anbindung der SensorkabelOberfläche an Erdpotential, eine Verbindungsmuffe 7 im Sicherheitsbereich 50 liegend, eine Abschlussmuffe 8 und das Sensorkabel 9 mit seinen Schutzvorkehrungen (Seilverband, Schutz vor elektrostatischen Aufladungen, Kennzeichnungen).
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Eine Ausführungsform ist die Faserbrucherkennung im Sensorkabel ohne Einsatz einer zusätzlichen Glasfaser (intrinsische Faserbrucherkennung).
Eine Besonderheit des OFDR-Temperaturverfahrens ist die Korrespondenzbeziehung zwischen Orts- und Frequenzraum, die für die Erkennung des Faserbruchs der Messfaser 24 genutzt werden kann. Das aus der Messfaser 24 rückgestreute Licht ist proportional zur Faserlänge und dem Gleichanteil des Frequenzspektrums. Im Falle eines Faserbruchs wird Laserlicht ausgekoppelt und an Grenzfläche zwischen Glasfaser und Atmosphäre entsteht eine Lichtreflexion (Fresnel -Reflexion). Neben der Reduzierung des Gleichanteils erzeugt die Reflexionsstelle im Frequenzspektrum bereits eine charakteristische Schwebung, die durch Vergleich (Mustererkennung) mit einem Frequenzspektrum ohne Schwebungen nach wenigen Messpunkten eindeutig erkannt werden. Dies geschieht innerhalb eines Bruchteils eines gesamten Messintervalls. Die Figuren 2 und 3 zeigen das Messsignal in den beiden Fällen. Ebenfalls ist die Erfassung des Faserbruchs durch Auswertung der örtlichen Rückstreukurve (anhand der Leistungsabnahme des rückgestreuten Laserlichts entlang der Glasfaserstrecke) möglich. Beim OFDR-Verfahren ist dies nach einem kompletten Messintervall möglich. Das Messintervall umfasst Aufzeichnung und Verarbeitung des kompletten Frequenzspektrums und anschließende Berechnung der Fouriertransformierten.
Alternativ zur Auswertung der rückgestreuten Messsignale kann mit einem zusätzlichen Photodetektor am Ende der Messfaser (Transmissionsmessung) ein Faserbruch erkannt werden, der im Falle einer Faserbeschädigung kein Laserlicht detektiert. Ein solcher Photodetektor kann in der Abschlussmuffe 8 integriert sein.
Um eine Anordnung und/oder ein Verfahren zur Faserbrucherkennung zu realisieren, welche unabhängig von den Mess- und Verarbeitungsroutinen der verwendeten Messeinrichtung sind, kann ein zweites optisches System 10 eingesetzt werden, welches dieselbe Messfaser 24 beaufschlagt. Vorzugsweise ist dies ebenfalls ein Laserlichtsystem, zweckmäßig eine eigensichere Strahlungsquelle. Die Wellenlänge des zweiten Lasersystems 10 wird so gewählt, dass keine spektrale Beeinflussung (optisches Übersprechen) der beiden Lasermesssysteme vorkommt. Die optische Kopplung beider Systeme erfolgt über einen i. a. faseroptischen Strahlteiler 18 mit den Komponenten wie Leistungskoppler, Wellenlängenmultiplexer etc.
Die Faserbrucherkennung erfolgt mit dem zweiten optischen System 10 analog zur oben beschriebenen intrinsischen Faserbrucherkennung durch Auswertung der rückgestreuten Frequenzdaten, und/oder durch Auswertung der Rückstreukurven (Rückstreureflektoren nach dem 0FDR- bzw. 0TDR- Verfahren) und/oder durch eine Transmissionsmessung. Einen möglichen Aufbau der Anordnung zeigt die Figur 4. Zusätzlich zur Lichtleitfaser 24 des Messsystems wird eine weitere Lichtleitfaser 26 in Schleifenverlegung mitgeführt, durch den ein moduliertes Lasersignal geleitet wird, das nicht genug Energie besitzt, um eine explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden.
Nach seiner Laufzeit wird das Lasersignal von einer Auswerteeinheit empfangen. In einer Vorverarbeitungsstufe 13, 17 wird das optische in ein elektrisches Signal gewandelt.
Nach Aufspaltung in Gleichanteil / Mittelwert und Modulation stehen mehrere SignalCharakteristika als primäre Eingangsgrößen einer Auswertung für eine redundante Abschaltung zu Verfügung. Weitere sekundäre Eingangsgrößen betreffen die Fehlererkennung und SignalVerifikation. Diese werden innerhalb der Auswertelogik 21 z.B. durch Schwellwertvergleiche oder Demodulation, kombiniert mit einer „eigensicheren" Auslegung von Teilfunktionen zur Fehlererkennung, generiert. Die Auswertelogik verknüpft die primären und sekundären Eingangsgrößen derart, dass sich hinsichtlich der Abschaltfunktion fehler- und ausfall redundante Ausgangssignale ergeben (Figur 9).
Die Ausgangsgrößen steuern mehrere voneinander unabhängige Abschaltelemente 22 an. Diese erfüllen jeweils eine eigensichere Abschaltfunktion des leistungsstarken Lasers 11 des Messsystems. Zu diesem Zweck greifen die Abschaltelemente an verschiedenen für den Betrieb des leistungsstarken Lasers nötigen Teilfunktionen an. Diese sind z.B. die Spannungsversorgung 20 der Elektronik des Messsystems, der Strompfad zur Laserdiode, der optische Pfad des Laserdiodenlichts oder die Quellen für den Laserdioden-Strom.
Die Aktivierung eines jeden Abschaltpfades unterliegt jeweils der Bedingung, dass die maximale Zeit zwischen Ereignis und tatsächlich vorliegender Abschaltung ausreichend gering ist, hinsichtlich des zu unterdrückenden Zündpotentials, z.B. weniger als 10 ms.
Eine Abschaltung der Spannungsversorgung 20 der Elektronik, die aufgrund der Entladung kapazitiver Elemente 19 zum exponentieilen Spannungsabfall des Potentials führt, wirkt auf die abzuschaltenden Elemente mit einer durch die Zeitkonstante der Gesamtschaltung bestimmten Zeitverzögerung. Mit einem speziellen Entlademechanismus (Figur 10) kann die Zeitkonstante und damit die Zeitverzögerung gegenüber einer Abschaltung der Spannungsversorgung mit einem herkömmlichen Schalter wesentlich verringert werden.
Bei Abschaltung trennt ein Schalter den Versorgungspfad von der Speisung. Danach schaltet ein Schließer mit definierter Zeitverzögerung den Versorgungspfad niederohmig gegen Masse. Die Besonderheit der Realisierung besteht in der Berücksichtigung der anwendungsspezifischen Forderungen nach Ausfall- und Eigensicherheit. Diese können erreicht werden durch spezielle Schaltungsrealisierung, Bauteilauswahl und zusätzliche Maßnahmen zur Fehlererkennung, z.B. Begrenzung der AusfallWahrscheinlichkeit durch Minimierung des Schaltungsaufwandes, eigensichere Auslegung, Verwendung von geeigneten Photomos-Relais 22 mit technologiespezifischer unterschiedlichen Ein-und Ausschaltzeiten zur Realisierung eines Umschalters, Anbindung der Abschaltrealisierung an eine externe PrüfSchaltung zur Aufdeckung ansonsten unerkannter Fehler. Die Funktionsprüfung bei Inbetriebnahme und regelmäßiger Wartung umfasst u.a. die Zeitmessung von der Auslösung bis zur tatsächlichen Abschaltung. Bei Vorliegen mehrerer unabhängiger Abschaltelemente 22 kann mit der Bestimmung des „Langsamsten" eine Verifikation durchgeführt werden, wenn sicher gestellt ist, dass bei Auftreten eines einzelnen Fehlers zur Überschreitung der maximal zulässigen Abschaltzeit führen würde. Statusmeldungen der Abschalteinrichtung 21 können über Schnittstellen zur weiteren Fehlerbehandlung an dass Messsystem ausgegeben werden, beeinflussen jedoch die Funktion der Schutzabschaltung nicht.
Eine weitere Ausführungsform ist die Faserbrucherkennung mit zusätzlicher Glasfaser (sogenannte extrinsische Faserbrucherkennung). Mit Hilfe einer eigensicheren Strahlungsquelle 10 als zweites Lasersystem existiert in Kombination mit einer zusätzlichen Glasfaser (auch als Schutzfaser 26 bezeichnet) die Möglichkeit der indirekten Faserbrucherkennung mittels Rückstreumessung oder Transmissionsmessung. Voraussetzung für diese indirekte (extrinsische) Fehlerbrucherfassung ist eine sehr enge räumliche Anordnung von Schutzfaser 26 und Messfaser 24 im Sensorkabel 9 in Kombination mit mechanischen Maßnahmen. Hierbei sollen im Fall einer Beschädigung des Sensorkabels 9 beide Fasern nahezu gleichzeitig brechen oder sich durchtrennen.
Die Figur 5 zeigt die zugehörige Anordnung der Transmissionsmessung mit Schleifenanordnung. Bei dieser Anordnung werden zwei Fasern 26 entlang der Messstrecke geführt und ihre Enden am Ende der Messstrecke miteinander verbunden. Die Verbindung kann eine Spleißung oder ein SpiegelSystem sein. Die über die Schleife gebildete Schutzfaser bildet also eine durchgehende Einheit mit optischen Hin- und optischem Rückweg. In einer anderen Ausführungsform kann das Rückführsignal elektrisch ausgebildet sein. Es wird durch einen Fotodetektor am Ende der hinführenden Faser gebildet und über einen elektrischen Leiter (anstelle der rückführenden Glasfaser) an die Anordnung zur Auswertung geleitet.
Wie zuvor beschrieben, kann ein Faserbruch entlang der Messstrecke intrinsisch (ohne zusätzliche Schutzfaser 26) oder extrinsiseh (mit zusätzlicher Schutzfaser 26) gemessen und erkannt werden. Bei der indirekten Methode mit Schutzfaser 26 muss die Forderung nach enger räumlicher Lage von Mess- und Schutzfaser erfüllt werden, damit im Fall einer mechanischen Einwirkung beide Fasern nahezu zeitgleich durchtrennt werden, was als Fehler vom System automatisch erkannt und behandelt wird.
Die Forderung nach enger Nähe kann mit verschiedenen Faseranordnungen und Sensorkabelkonstruktionen erreicht werden. Nachfolgend werden drei Beispiele für ein aus Messfaser 24 und Schutzfaser 26 gebildetes Kernelement 31 beschrieben:
in einer Form sind Messfaser 24 und Schutzfaser 26 in Längsrichtung verdrillt, verklebt etc. und werden von einem zusätzlichen äußeren Mantel geschützt. Wegen der kleinen geometrischen Querabmessungen der Fasern (jeweils 250 μm im Außendurchmesser) kann die Forderung nach enger Nachbarschaft einfach erfüllt werden. Alternativ handelt es sich um eine einzige optische Spezialfaser, in der mindestens zwei Faserkerne in unmittelbarer Nähe ausgebildet sind. Es wird dabei also nur eine Faser benötigt. Der optische Weg des Messsystems und der des Schutzsystems durchläuft dabei die Faserkerne der Spezialfaser. In einer weiteren Form werden die beiden Fasern in einem dünnen metallischen Röhrchen 27 untergebracht, welches einen Außendurchmesser im Millimeterbereich (1 bis 3 mm) hat. Solche Metall röhrchen 27 sind einfach in einem hermetisch umhüllenden Außenmantel (oder Instal 1 ationsröhrchen) unterzubringen.
Durch die Ausbildung einer der beschriebenen Kernelemente in möglichen Kabelkonstruktionen wird einerseits ein hoher mechanischer Schutz gegen Beschädigung gewährleistet, andererseits wird das Austreten von Laserstrahlen ausgeschlossen. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal für Sicherheitsbereiche einsetzbaren Kabelkonstruktion sollte berücksichtigen, dass ein Eindringen bzw. Verschleppen von explosiven Gasen im Innern des Sensorkabels bzw. in oder durch das Kernelement 31 sicher verhindert wird. Nachfolgend werden zwei weitere Beispiele von möglichen Sensorkabelkonstruktionen vorgestellt. In Figur 6 ist eine Konstruktion mit Verseilung (Seilverband) dargestellt. Das Kernelement besteht aus einem Stahlröhrchen 27 mit geringen Außenabmessungen, in dem innerhalb eines temperatur- und feuchtbeständigen Gels sich die Messfaser 24 und zwei Schutzfasern 26 (für die Transmissionsmessung) befinden. Eingebettet wird das Kernelement in einem Verband von sechs Stahldrahten 29. Der Verband ist von einem oder zwei weiteren Mänteln 28 umhüllt. Je nach Anforderung des Sensorkabels 9 können die Mäntel auf spezielle Eigenschaften angepasst werden. Für den hier vorliegenden Fall einer Verwendung eines Temperatur-Sensorkabels hat die innen liegende Schicht eine gute Wärmeleitungseigenschaft und die äußere Schicht ein gutes Absorptionsvermögen für Strahlungswärme.
Eine wichtige Forderung für explosionsgefährdete Sicherheitsbereiche 50 liegt darin, elektrostatische Aufladungen mit Sicherheit auszuschließen. Aufladungen können insbesondere während der Installation durch Reibungselektrizität entstehen. Mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche 28 und einer Kontaktierung der Oberfläche mit Erdpotential wird ein hohes Maß an Abieitverhalten gegenüber elektrostatischen Aufladungen erreicht.
Die Figur 7 zeigt eine andere Konstruktion eines Schutzrohrsystems (Zweikammersystem). Das Kernelement 31 ist vergleichbar mit dem in der Figur 6 und ist mit einem Schutzmantel zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit umgeben. Das eigentliche Sensorkabel befindet sich relativ lose in einem zusätzlichen Rohr, beispielsweise einem Edel stahl röhr, das je nach Anwendung mit Überdruckkapselung betrieben werden kann, so dass keine entzündbaren Gase im Rohrsystem diffundieren und im Kernelement weiterströmen können. Der mechanische Zustand des äußeren Rohres kann zusätzlich mit Sensoren 30 überwacht werden. Bei dieser Konstruktion kann das Sensorkabel zusammen mit dem Installationsrohr in einen Sicherheitsbereich 50 oder auch erst später nach dem Einbau des Installationsrohres in letzteres eingezogen bzw. eingeblasen werden.
In der Anordnung sind zweckmäßig anwendungs- und produktspezifische Schutzmechanismen implementiert. Hierzu gehören insbesondere mechanisch verschließbare Faserstecker zur Kupplung an das Gerätegehäuse oder zur Kupplung von Kabelabschnitten untereinander. Hiermit wird ein zusätzlicher Personenschutz erreicht. Denn ein Austauschen oder Anschließen von fehlerhaften oder systemfremden Sensorkabeln muss ausgeschlossen werden. Dazu kann der Einsatz von speziellen SchlüsselSchaltern zur Laserverriegelung analog zum abschließbaren Faserstecker vorteilhaft sein. Spezielle Konstruktionen, insbesondere Druckkapselung der Verbindungs- und Abschlusseinheiten des Kabels für den Einsatz im Sicherheitsbereich 50, eine Gefahren-Kennzeichnung durch Text und Farbgebung (Aufdruck, Aufkleber) am Sensorkabel und Zubehör sowie an den Muffen als zusätzlicher Personenschutz zur Vermeidung von versehentlicher Durchtrennung des Messkabels (z. B. bei der Verlegung auf Kabeltrassen) sowie unbeabsichtigtes Öffnen der Verbindungsmuffen, die Ausbildung einer leitfähigen Oberfläche des Sensorkabels zur Vermeidung von elektrostatischer Aufladung (z. B. Außenmantel aus graphitiertem Kunststoff oder Compoundkunststoff) können vorgesehen sein, sowie eine Überwachungseinheit für die Schutzfaser, mit der gewährleistet wird, dass keine Verwechselung von Messfaser und Schutzfaser auftritt, bzw. dass eine ordnungsmäßig geprüfte Schutzfaser verwendet wird. Mit der Überwachung sollen insbesondere fehlerhafte oder irrtümliche faseroptische Brücken am Auswertegerät ausgeschlossen werden. Dabei kann beispielsweise ein Plausibilitätsvergleich mittels LaufZeitmessung des Lichts in der Schutzfaser und/oder spektrale Messung des Laserlichts (Pumplicht) nach wellenlängenselektiver Überlagerung der beiden Lasersysteme stattfinden. Mit dieser Art der Überwachung können unter anderem auch Fehler, wie Streulichteinkopplung des Messfaserlichts in die Schutzfaser am Ende der Messstrecke entdeckt werden.
Ein Sensorkabel für folgende Belastungen ist nachfolgend beschrieben. Mechanischer Stoß geprüft auf 20 Joule Schlagenergie (halbkugelförmige Schlagfl che, 25mm Durchmesser), Quetschung geprüft auf 1,5 kN, und Biegung mit Kaltbiegeprüfung auf minimalen Biegeradius.
Das Lichtwellenleiter führende Edel stahl röhrchen wird mit 6 Drähten zusätzlich verseilt, so dass im Querschnitt des Kabels das Edelstahl röhrchen 27 von den Drähten 29 in hexagonal -dichter Anordnung umgeben ist. Eine auf das Sensorkabel 9 wirkende Kraft wird somit überwiegend von den Verseildrahten aufgenommen und um das Edelstahl röhrchen geführt, so das nur ein kleiner Teil der Verformungsenergie tatsächlich das Edel stahl röhrchen erreicht. Unterstützt wird dieser Effekt durch einen leicht größeren Durchmesser der Verseildrahte, der ein gewisses „Spiel" des Edelstahlröhrchens innerhalb der durch die Verseildrahte 29 entstandenen Hohlraums lässt. Um einer etwaigen „Aufkorbung" des verseilten Sensorkabels 9 bei einer Biegung des Kabels entgegenzuwirken, wird die Verseilung des Edelstahl röhrchens 27 mit einer spezifischen „Schlaglänge" durchgeführt, d.h. die Verseildrahte umlaufen während einer spezifischen Längenperiode das Edel stahl röhrchen um 360°. Dadurch wird die Beanspruchbarkeit des Sensorkabelgefüges bezüglich der Biegung deutlich erhöht. Ein Schlaglängenverhältnis von ca. 12 hat sich für diesen Zweck als günstig erwiesen.
Für die Verseildrahte eignen sich folgende Materialien: Stalum oder ACS (aluminiumbeschichteter Stahldraht), Aldrey (Aluminium - Magnesium- Silizium - Legierung), und reines Aluminium. Für Applikationsbereiche im Niedertemperaturbereich hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß verseilte Sensorkabel zusätzlich mit einer äußeren Kunststoffschicht zu versehen. Jedoch können Kunststoffe ebenfalls wirksame Zündquellen durch lokale elektrostatische Entladungen darstellen. Die elektrostatische Aufladung kann durch Zugabe von entsprechenden Additiven in die Extrusionsmischung minimiert werden. Dazu verwendet man in der Regel Alkylamine oder -amide als auch spezifische Sterate ( Salze der Sterinsäure), die die Eigenschaft besitzen, nach der Extrusion an die Oberfläche des Kunststoff zu diffundieren und durch ihre polaren Eigenschaften umgebendes, atmosphärisches Wasser zu binden und somit die Oberfl chenleitfähigkeit des Kunststoffes deutlich zu erhöhen.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der nachträglichen Graphitierung des Kunststoffes, d.h. das Aufbringen von leitfähigem Kohlenstoff auf die Oberfläche des Kunststoffes.
Insbesondere beim Einsatz des Sensorkabels 9 ohne zusätzliche Kunststoffummantelung kann durch das Auftreten einer seltenen Betriebsstörung das Sensorkabel auf einem erhöhten Potential liegen, wodurch eine funkenbildende Entladung möglich wird, die zu einer Zündung von explosionsfähiger Atmosphäre führt. Als vorbeugende Maßnahme wird hierzu das Sensorkabel mit einer speziellen Auslegung der Verbindungsmuffe 6 über das Edel stahl röhrchen 27 geerdet (Figur 11).
Das elektronische Fehlermanagementsystem 2 ist ein weiteres Element eines funktionstüchtigen Schutzkonzepts für die Anordnung. Eine im Fehlermanagement eingebundene Ereignisverarbeitung 38 kann je nach Anwendung und Forderung softwaremäßig, hardwaremäßig oder in Kombination von beiden erfolgen. Das Prinzip einer geeigneten Ereignisverarbeitung ist die Einbindung unterschiedlicher Funktionen und Zustände in den Prozessablauf der Messanordnung. Ein typischer Prozessablauf ist in der eingangs zitierten EP-Schrift zu finden, wo auch schon Erkennen, Melden, Kontrollieren und Behandeln von Fehlern vorgeschlagen wird. Bei der mit der Erfindung vorgeschlagenen Anordnung wird die Fehlerbehandlung auf die besonderen Erfordernisse beim Einsatz in Sicherheitszonen berücksichtigenden Probleme ausgedehnt. In der Figur 8 ist das Prinzip der Ereignisverarbeitung des Fehlermanagementsystems dargestellt.
Eine Besonderheit des Fehlermanagementsystems 2 besteht in der Möglichkeit der Vornahme von Systemkonfigurationen. Dabei können insbesondere am Betriebszustand orientierte Entscheidungskriterien berücksichtigt und umgesetzt werden. Das Ziel der Erfindung liegt hierbei natürlich in der Beherrschung aller Fehler, die das Gefährdungspotential im Sicherheitsbereich treffen. Maßnahmen, die durch die Ereignisverarbeitung automatisch vorgenommen werden, sind abhängig von verwendeten Laserquellen und den unterschiedlichen normalen und fehlerhaften Betriebszustanden. Beispielsweise kann das System so eingestellt sein, dass bei Fehlern zwingend eine Abschaltung oder Leistungsreduzierung des Lasers, Umschaltung auf ein zweites redundantes System und/oder eine Veränderung oder Verringerung der Messzeit stattfindet.
Bezugszeichenliste
1 Schnittstelle Fehlermanagementsystem
2 Fehlermanagementsystem mit Ereignisverarbeitung 3 Fehlererkennung und -Überwachung
4 intrinsische Fehlererkennung
5 Schnittstelle (Stecker) Messgerät/ Sensorkabel
6 Kuppelelement (Muffe)
7 Kuppelelement (Muffe in Strahlensicherheitszone) 8 Anschlussmuffe
9 Sensorkabel
10 eigensichere StrahlVorrichtung
11 StrahlVorrichtung (Power Laser)
12 Strahlenteiler 13 optische Empfänger (photo detector)
14 optische Filter (optical filter)
15 Spiegel
16 MesssignalVerarbeitung (evaluation & display)
17 Erfassungseinrichtung 18 Strahlteiler
19 kapazitive Elemente
20 Energieversorgung
21 Abschaltlogik
22 Abschaltelement 23 Einbettmasse
24 Messlichtleitfaser
25 Einbettmasse
26 Schutzfaser vorwärts, Schutzfaser rückwärts
27 Metal 1 röhrchen 28 Leitschicht
29 Metalldraht
30 Sensor-Faser für Fehlerdetektion Kernelement Zustandsüberwachung des Fehlererkennungssystems (Wartung) Faserbruchmeldung (extrinsiseh) Faserbruchmeldung (intrinsisch) Fehlermeldung vom Fremdsystem Kriterien zur Änderung des Betriebszustandes Umschaltung auf redundantes Messsystem Ereignisverarbeitung Meldung Alarm, Störung Signalisierung LED's Abschaltung des Power Lasers Eingeschränkter Betrieb des Messsystems (eigensichere Strahlungsquelle)
Bereich Messstrecke im Ex-Bereich
Durchführung Erdleitung Erdanschlussklemme

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erfassung von Betriebszustanden mittels Laser- Reflektometrie und hoher Laserleistung über einen räumlich ausgedehnten Bereich, bei dem von wenigstens einer ersten StrahlVorrichtung (11) eine optische Strahlung in wenigstens ein optional anschließbares optisches Leitmittel (24) ausgesandt und zumindest eine Rückstrahlung aus dem optischen Leitmittel (24) zur Bildung eines Messsignals erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Messsignal ein Störsignal erfasst wird, wenn infolge Beschädigung oder Unterbrechung des wenigstens einen optischen Leitmittels mit einem erheblichen Austritt von optischer Strahlung aus dem Leitmittel zu rechnen ist, oder ein Betriebssignal, wenn eine Beschädigung oder Unterbrechung des wenigstens einen langgestreckten optischen Leitmittel als ausgeschlossen erkannt wurde, und dass bei Erfassung des Störsignals die Strahlungsleistung der ersten StrahlVorrichtung auf nicht mehr als 35 mW verringert oder die erste StrahlVorrichtung abgeschaltet wird.
2. Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszustanden mittels Laser- Reflektoetrie und hoher Laserleistung über einen räumlich ausgedehnten Bereich, enthaltend wenigstens eine erste StrahlVorrichtung (11) zur Aussendung einer optischen Strahlung, wenigstens ein optional anschließbares optisches Leitmittel (24), und zumindest eine Einrichtung (13) zur Erfassung von Rückstrahlung aus dem optischen Leitmittel (24) zur Bildung eines Messsignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner wenigstens eine Erfassungsvorrichtung für ein Störsignal und/oder ein Betriebssignal aufweist und eine Schaltung zur Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten Strahlvorrichtung.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung ein oder' mehrere Abschaltorgane (22) aufweist, die unabhängig ansteuerbar sind und von denen jedes einzelne eine Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung bewirkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Abschaltorgane redundant ansteuerbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Abschaltorgane durch PhotoMOS-Relais gebildet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung innerhalb von nicht mehr als 10 ms erfolgt.
7. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Störsignal verschiedene
Eingangsgrößen erfassbar sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Eingangsgrößen aus dem Messsignal und/oder meinem oder mehreren Prüfsignalen abgeleitet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangsgröße eine für eine Fresnel reflexion charakteristische Schwebung des Rückstreusignals verwendet wird.
10. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Strahlungsquelle (10) zur Aussendung eines optischen Kontrollstrahles vorgesehen ist, die von der ersten Strahlungsquelle unabhängig ist, und eine Einrichtung zur Erfassung einer Rück- und/oder Durchgangsstrahlung zur Erzeugung eines Prüfsignals und/oder eines Betriebssignals.
11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Strahlungsquelle in Form eines zusätzlichen Lasers vorgesehen ist und der zusätzliche Laser eigensicher ist.
12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Inbetriebnahme der ersten Strahlungsquelle solange ausgeschlossen ist, wie nicht das Betriebssignal erfasst ist.
13. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzliches optisches Leitmittel (26) vorgesehen ist.
14. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzliches optisches Leitmittel in Form einer Schutzfaser (26) vorgesehen ist, das eine Schleife durch die Messstrecke bildet.
15. Sensorkabel zur Verwendung mit einem Verfahren und/oder einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorkabel (9) eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern als optischen Leitmitteln aufweist.
16. Sensorkabel zur Verwendung mit einem Verfahren und/oder einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorkabel eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern (24, 26) als optischen Leitmitteln aufweist, von denen wenigstens einer zur Erfassung des Messsignals und wenigstens ein weiterer Lichtwellenleiter zur Bestimmung eines Stör- oder Betriebssignals durch ein Verfahren nach Anspruch 1 geeignet ist.
17. Sensorkabel nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder mehrere optische Leitmittel innerhalb eines Röhrchens (27) angeordnet und das Röhrchen mit vorzugsweise 6 Drähten zusätzlich verseilt ist, so dass im Querschnitt des Kabels das Edel stahl röhrchen von den Drähten in hexagonal -dichter Anordnung umgeben ist.
18. Sensorkabel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verseilung mit einem Schlaglängenverhältnis von ca. 12 ausgeführt ist.
19. Sensorkabel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verseildrahte aus aluminiumbeschichtetem Stahldraht, einer
Aluminium - Magnesium- Silizium - Legierung oder reinem Aluminium bestehen.
20. Sensorkabel nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Leitmittel zum Führen eines
KontrollStrahls und zur Rückführung des KontrollStrahls aus einer einzigen Lichtleitfaser mit mindestens zwei Faserkernen besteht.
21. Sensorkabel nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das verseilte Sensorkabel zusätzlich mit einer äußeren Kunststoffschicht versehen ist.
22. Sensorkabel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht durch Zugabe von Alkylaminen oder -amiden, und/oder Steraten, und/oder Graphitierung leitfähig gemacht ist.
23. Sensorkabel nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das verseilte Sensorkabel zusätzlich mit einer Verbindungsmuffe versehen ist, wobei das Röhrchen und/oder die äußere Kunststoffschicht elektrisch leitend mit einer auf Erdpotential liegenden Anschlussklemme der Verbindungsmuffe verbunden ist.
24. Sensorkabel nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorkabel über mechanisch gegen unbefugtes Lösen verriegelte Steckverbindungen mit der Vorrichtung verbunden ist und/oder die Steckverbindung mit einem elektrischen Kontakt zur Verringerung oder Abschaltung einer Energiezufuhr zu der ersten StrahlVorrichtung versehen ist.
25. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines
Sensorkabels nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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