WO2007137901A1 - Optische messeinrichtung zur temperaturbestimmung in einer kryogenen umgebung und temperaturüberwachbare wickelanordnung - Google Patents

Optische messeinrichtung zur temperaturbestimmung in einer kryogenen umgebung und temperaturüberwachbare wickelanordnung Download PDF

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WO2007137901A1
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20a
optical waveguide
fiber bragg
measuring device
bragg grating
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PCT/EP2007/053589
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Thomas Bosselmann
Hagen Hertsch
Martino Leghissa
Marijn Pieter Oomen
Michael Willsch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2203/00Application of thermometers in cryogenics

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung. Die optische Messeinrichtung weist dabei mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i), welcher mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) versehen ist, und über welchen der mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) mittels eines Lichtsignals abfragbar ist, auf. Weiter weist die optische Messeinrichtung Einspeisemittel zur Einspeisung des Lichtsignals in den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i), und Auswertemittel zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes aus einem vom mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) herkommenden Lichtsignal, auf. Dabei umschließt zumindestteilweise mindestens ein Mantelelement (22) zumindest im Bereich des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors (21) den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 20i) kraftschlüssig. Es weist hierbei zumindest bei kryogenen Temperaturen einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 20i) auf. Weiter betrifft die Erfindung eine temperaturüberwachbare Wickelan-Ordnung.

Description


  Beschreibung

Optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung und temperaturüberwachbare Wickelanordnung

Die Erfindung betrifft eine optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung. Die Messeinrichtung weist mindestens einen Lichtwellenleiter auf, welcher mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor versehen ist, und über welchen der mindestens eine Faser-Bragg-GitterSensor mittels eines Lichtsignals abfragbar ist. Weiter umfasst die Messeinrichtung Einspeisemittel zur Einspeisung des Lichtsignals in den mindestens einen Lichtwellenleiter und Auswertemittel zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes aus einem vom mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor herkommenden Lichtsignal.

   Ferner betrifft die Erfindung eine temperaturüberwachbare Wickelanordnung .

Supraleitende Magneten, die beispielsweise in Magnetresonanztomographen Anwendung finden, werden je nach verwendetem Supraleitertyp mit einem kryogenen Kühlmittel auf eine Temperatur von 120 K und niedriger gekühlt. Für einen mit einem Tieftemperatursupraleiter ausgeführten Magneten eignet sich beispielsweise flüssiges Helium, das den Magneten auf 4,2 K kühlt. Aufgrund unterschiedlichster Störeinflüsse kann es in einem solchen Supraleiter zum so genannten Quenchen kommen, wobei der Supraleiter normalleitend wird. Dieser Quench-Vorgang beginnt zunächst punktuell und breitet sich mit hoher Geschwindigkeit über den gesamten Supraleiter aus. Dies ist mit einer starken Erwärmung des Supraleiters verbunden, welche einen hohen Verdampfungsverlust am kryogenen Kühlmittel zur Folge hat.

   Der Magnet muss daraufhin unverzüglich abgeschaltet werden. Um eine Beschädigung des Magneten zu vermeiden, ist es notwendig, den Quench-Vorgang möglichst zeitnah und ortsaufgelöst zu erfassen. Beispielsweise kann über akustische Emissionen, die mit dem Quench-Ereignis verbunden sind, dessen Entstehungsort lokalisiert werden. Insbesondere bei Magnetresonanztomographen stellt sich dies als recht schwierig heraus, da Magnetresonanztomographen in der Regel aus zahlreichen in komplizierter Geometrie angeordneten Spulen ausgestaltet sind. Eine weitere Möglichkeit der QuenchDetektion ist mit einer differentiellen Spannungsmessung an den Wicklungen gegeben. Der Ort des Quenchens kann damit ebenfalls lokal eingegrenzt werden. Jedoch führt dies insbesondere bei Magnetresonanztomographen zu sehr vielen Spannungsabgriffen, die den Wickelprozess sehr kompliziert machen.

   Darüber hinaus werden die zu messenden resistierenden Spannungen von sehr hohen induktiven Anteilen überlagert.

In der US 2005/0129088 Al ist eine optische Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer normalleitenden Magnetresonanztomographiespule angegeben. Hierbei ist um den Wicklungskörper der Spule eine röhrenförmige Hülse gewunden, in welche ein von der Hülse mechanisch entkoppelter Lichtwellenleiter eingeführt ist. Der Lichtwellenleiter ist dabei mit mehreren Faser-Bragg-Gitter-Sensoren versehen, mit welchen die Spulentemperatur, die bei Raumtemperatur oder höher liegen kann, ortsaufgelöst überwacht werden kann. Da die temperaturabhängige Wellenlängenänderung von "nackten" Faser-Bragg-GitterSensoren im Bereich kryogener Temperaturen, d.h.

   Temperaturen, die bei 120 K und niedriger liegen, praktisch nicht vorhanden ist, eignet sich die in dieser Schrift angegebene optische Einrichtung nicht für den Einsatz in einer solchen kryogenen Umgebung.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Messeinrichtung anzugeben, die sich für den Einsatz in einer kryogenen Umgebung eignet. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wickelanordnung anzugeben, deren Temperatur unter kryogenen Bedingungen überwacht werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine optische Messeinrichtung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben .

   Bei der erfindungsgemässen optischen Messeinrichtung handelt es sich um eine Optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung, aufweisend mindestens einen Lichtwellenleiter, - welcher mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor versehen ist, und über welchen der mindestens eine Faser-Bragg-GitterSensor mittels eines Lichtsignals abfragbar ist, Einspeisemittel zur Einspeisung des Lichtsignals in den mindestens einen Lichtwellenleiter, und

Auswertemittel zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes aus einem vom mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor herkommenden Lichtsignal, wobei - mindestens ein Mantelelement zumindest im Bereich des mindestens einen Faser-BraggGitter-Sensors den mindestens einen Lichtwellenleiter kraftschlüssig zumindest teilweise umschliesst,

   und - einen grösseren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der mindestens eine Lichtwellenleiter zumindest bei kryogenen Temperaturen aufweist.

Durch den kraftschlüssigen Kontakt des mindestens einen Mantelelements mit dem mindestens einen Lichtwellenleiter überträgt sich die Ausdehnung des mindestens einen Mantelelements bei Temperaturerhöhung oder die Kontraktion des mindestens einen Mantelelements bei Temperaturerniedrigung direkt auf den mindestens einen Lichtwellenleiter und damit auf den mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor.

   Auch wenn der FaserBragg-Gitter-Sensor selbst einen vernachlässigbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im kryogenen Temperaturbereich von 120 K und niedriger besitzt, beeinflusst das mindestens eine Mantelelement bei einer Temperaturänderung durch den vorhandenen bzw. grösseren Ausdehnungskoeffizienten messbar die Schwerpunktwellenlänge des mindestens einen Faser-BraggGitter-Sensors . Vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Messeinrichtung gemäss der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

So ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Mantelelement aus einem Polymermaterial, insbesondere aus PMMA, ausgestaltet ist. Gerade Polymermaterial, insbesondere PMMA, weist einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im kryogenen Temperaturbereich von 120 K und niedriger auf.

   So weist beispielsweise PMMA bei einer Temperatur im Bereich von ca. 4 K (flüssiges Helium) bis 20 K einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von >10<¯6> pro K auf, während der thermische Ausdehnungskoeffizient beispielsweise von Glas einer Glasfaser bei <10<¯7> pro K liegt. Weiter zeichnet sich ein solches PoIymermaterial, insbesondere PMMA, durch eine niedrige intrinsische Wärmekapazität aus .

Weiter ist günstig, wenn das mindestens eine Mantelelement eine ausgeprägte Ausdehnung in Erstreckungsrichtung des mindestens einen Lichtwellenleiters im Bereich des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors aufweist . Somit ist die Dicke des mindestens einen Mantelelements im Bereich des zugeordneten mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors möglichst klein gehalten, um die Wärmekapazität des mindestens einen Mantelelements zu minimieren.

   Dadurch wird eine möglichst kurze Ansprechzeit des mindestens einen Faser-BraggGitter-Sensors gewährleistet .

Vorteilhafterweise verjüngt sich das mindestens eine Mantelelement in Erstreckungsrichtung des mindestens einen Lichtwellenleiters zu seinen Enden hin. Wird beispielsweise der mindestens eine Lichtwellenleiter mit mindestens einem FaserBragg-Gitter-Sensor und dem mindestens einen Faser-BraggGitter-Sensor zugeordnetem mindestens einen Mantelelement in ein Verbundmaterial, wie beispielsweise Giessharz, eingebettet, wird durch eine derartige Ausgestaltung des mindestens einen Mantelelements eine Stauchung durch das Verbundmaterial vermieden . Zudem ist es günstig, wenn das mindestens eine Mantelelement rotationssymmetrisch um den mindestens einen Lichtwellenleiter ausgebildet ist. Insbesondere läuft dabei das mindestens eine Mantelelement zu beiden Enden hin konisch zu.

   Durch eine derart symmetrische Ausgestaltung des mindestens einen Mantelelements wirken die auf den vom mindestens einen Mantelelement ausgehenden Dehnungsund Kontraktionskräfte auf den mindestens einen Lichtwellenleiter gleichmässig über dessen Umfang verteilt. Die Dehnung bzw. Kontraktion des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors erfolgt damit gleichmässig, so dass das beispielsweise am mindestens einen Faser-BraggGitter-Sensor reflektierte Lichtsignal eine möglichst geringe Bandbreite aufweist.

Günstigerweise sind mehrere Faser-Bragg-Gitter-Sensoren an unterschiedlichen Stellen entlang des mindestens einen Lichtwellenleiters mit jeweils zugeordneten Mantelelementen vorgesehen.

   Somit lässt sich zum einen eine ortsaufgelöste Temperaturverteilung bestimmen und zum anderen bei punktuellen Ereignissen, wie beispielsweise einer plötzlichen örtlich begrenzten Temperaturerhöhung, der Ereignisort genau eingrenzen. Die Auflösung wird dabei lediglich durch die Beabstandung der einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zueinander bestimmt. Wird beispielsweise mit der optischen Messeinrichtung gemäss der Erfindung das so genannte Wellenlängenmultiplexverfahren angewandt, können in der Regel bis zu 10 Faser-BraggGitter-Sensoren nacheinander in einem Lichtwellenleiter angeordnet sein. Jeder Faser-Bragg-Gitter-Sensor hat dabei eine andere Schwerpunktswellenlänge. Das vom Einspeisemittel in den Lichtwellenleiter eingespeiste Lichtsignal muss hierfür einen Wellenlängenbereich aufweisen, der alle Schwerpunktswellenlängen abdeckt.

   Zur Auswertung weist das Auswertemittel hierbei vorzugsweise ein Spektrometer, wie beispielsweise ein Fabry-Perrot-Interferrometer, auf.

Wird andererseits alternativ zum Wellenlängenmultiplexverfahren das so genannte Zeitmultiplexverfahren (OTDR: Optical Frequency Domain Reflectometry) verwendet, können nahezu unbegrenzt viele Faser-Bragg-Gitter-Sensoren in einem Lichtwellenleiter angeordnet werden. Dabei können die Sensoren auch bei identischer Schwerpunktswellenlänge räumlich unterschieden werden. Für die Auswertung des an den Faser-Bragg-GitterSensoren gestreuten Lichtsignals kann das Auswertemittel beispielsweise einen Kantenfilter aufweisen.

Es ist von Vorteil, wenn das Lichtsignal von den Einspeisemittein gepulst mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz in den mindestens einen Lichtwellenleiter einzuspeisen ist.

   Somit ist gewährleistet, dass bei einer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Temperaturänderung, wie sie beispielsweise beim Quench-Vorgang in einem Supraleiter auftritt, die Änderung der Temperaturverteilung zeitlich aufgelöst werden kann.

Die die Wickelanordnung betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 8 gelöst.

Demgemäss handelt es sich bei der Wickelanordnung um eine Wickelanordnung mit mindestens einem Wickelkörper aus einer Vielzahl von Windungen mindestens eines elektrischen Leiters, und - einem mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor und mindestens einem Mantelelement versehenen Lichtwellenleiter der optischen Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   wobei zumindest das mindestens eine Mantelelement in thermischem Kontakt mit dem Wickelkörper steht.

Bei der Wickelanordnung ergeben sich die vorstehend für die erfindungsgemässe optische Messeinrichtung erläuterten Vorteile.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Wickelanordnung ergeben sich aus den von Anspruch 8 abhängigen Ansprüchen. So ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Lichtwellenleiter innenseitig und/oder aussenseitig am Wickelkörper angeordnet ist.

Vorteilhafterweise ist der Wickelkörper mit einem Verbundmaterial, insbesondere mit Giessharz, wie beispielsweise Epoxidharz, versehen. Das Verbundmaterial dient in erster Linie zur mechanischen Stabilisierung des mindestens einen Leiters im Wickelkörper. Das Verbundmaterial dient zudem zur elektrisehen Isolierung zweier benachbarter Windungen.

   Vorteilhafterweise weist darüber hinaus das Verbundmaterial eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Damit ist gewährleistet, dass eine zunächst lokal begrenzte Temperaturerhöhung sich rasch ausbreitet und somit früh von dem nächstliegenden Faser-BraggGitter-Sensor detektiert werden kann.

Es ist von Vorteil, wenn der mindestens eine Lichtwellenleiter im Verbundmaterial eingebettet ist. Zum einen kann somit der mindestens eine Lichtwellenleiter möglichst nahe an dem mindestens einen Leiter positioniert werden, zum anderen wird der mindestens eine Lichtwellenleiter von dem Verbundmaterial vor äusseren Einflüssen geschützt und zudem mechanisch stabilisiert.

   Durch die Einbettung ist weiter gewährleistet, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter und insbesondere der mindestens eine Faser-Bragg-Gitter-Sensor in einem festen, unveränderbaren Abstand vom zu überwachenden mindestens einen elektrischen Leiter angeordnet sind.

Vorteilhafterweise dient das Verbundmaterial des Wickelkörpers gleichzeitig als Mantelelement des mindestens einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors . Dies kann durch ein geeignetes Verbundmaterial, insbesondere einem Giessharz, sichergestellt werden .

Vorteilhaft ist der mindestens eine elektrische Leiter mindestens ein Supraleiter. Bei dem mindestens einen Supraleiter kann es sich dabei um einen Tieftemperaturoder auch Hochtemperatursupraleiter handeln.

   Es ist somit möglich, ein in mindestens einem Supraleiter auftretendes Quench-Ereignis zeitnah zu detektieren und bei der Verwendung hinreichend vieler verteilter Faser-Bragg-Gitter-Sensoren möglichst genau zu lokalisieren. Eine Wärmebelastung des Supraleiters durch den mindestens einen Lichtwellenleiter ist im Prinzip nicht vorhanden .

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung nä- her erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht massstäblich ausgeführt, und gewisse Aspekte sind schematisiert dargestellt.

   Im Einzelnen zeigen die

Figur 1 eine optische Messeinrichtung mit Wickelanordnung in einem kryogenen Medium,

Figur 2 einen Querschnitt durch die Wickelanordnung gemäss Figur 1,

Figur 3 einen Längsschnitt durch eine in einem Verbundmaterial eingebetteten Lichtwellenleiter mit einem FaserBragg-Gitter-Sensor und einem dem Faser-Bragg-Gitter-

Sensor zugeordneten Mantelelement und

Figur 4 einen Querschnitt durch den Lichtwellenleiter gemäss Figur 3.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist gemäss der Erfindung eine optische Messeinrichtung mit einer Wickelanordnung 30 in einem kryogenen Medium 4, wie beispielsweise flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff, dargestellt. Die Wickelanordnung 30 weist dabei einen auf einem Wicklungsträger 32 angeordneten Wickelkörper 31 auf.

   Der Wicklungskörper kann aber auch freitragend, d.h. ohne Wicklungsträger 32, ausgeführt sein (in Figur 1 nicht dargestellt) . Der Wickelkörper 31 ist dabei aus einer Vielzahl von Windungen eines supraleitenden Leiters 34 (siehe Figur 3) ausgebildet. Der supraleitende Leiter 34 kann dabei ein Tieftemperatursupraleiter oder ein Hochtemperatursupraleiter sein. Je nach Supraleitertyp kann der Leiter 34 bandförmig, mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt sein oder aber auch einen runden Querschnitt aufweisen. Sowohl Wicklungsträger 32 als auch Wickelkörper 31 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel von hohlzylinderförmiger Gestalt. Der Wickelkörper 31 weist sowohl auf seiner dem Wicklungsträger 32 zugewandten Innenseite 36 als auch auf seiner dem Wicklungsträger 32 abgewandten Aussenseite 35 jeweils einen Lichtwellenleiter 2Oi, 20a auf.

   Gemäss dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 ist der äussere Lichtwellenleiter 20a um den Wickelkörper 32 gewunden dargestellt. Der innere Lichtwellenleiter 2Oi kann parallel dazu ebenso gewunden angeordnet sein (nicht in Figur 1 dargestellt) . Es sind aber auch andere Anordnungsformen denkbar, die Lichtwellenleiter 2Oi und 20a parallel zur inneren bzw. äusseren Wickelkörperoberfläche anzuordnen. Beispielsweise könnten die Lichtwellenleiter 2Oi, 20a auch mäanderförmig angeordnet werden. Die Lichtwellenleiter 2Oi, 20a sind mit zahlreichen temperatursensitiven Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 versehen. Vorzugsweise ist der jeweilige Lichtwellenleiter 2Oi, 20a und die zugeordneten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 derart angeordnet, dass die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 ein "flächendeckendes" Sensornetzwerk ausbilden.

   Die FaserBragg-Gitter-Sensoren 21 sind vorteilhaft äquidistant zueinander angeordnet. Erfolgt im Supraleiter 34 ein Quench-Ereignis, bei dem der Supraleiter 34 plötzlich punktuell normalleitend wird, so dass sich am Ereignisort ein so genannter "hot spot" ausbildet, kann dieser von einem Faser-BraggGitter-Sensor 21 oder mehreren Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 detektiert werden.

Die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 können jeweils unterschiedliche spezifische Schwerpunktswellenlängen - die so genannten Bragg-Wellenlängen - aufweisen. Die Faser-BraggGitter-Sensoren 21 werden von einem Lichtsignal LS, das von einer breitbandigen Lichtquelle 51 erzeugt wird, abgefragt. Über einen Koppler 52 und einem oder mehrere Lichtwellenleiter 2Oi, 20a wird das Lichtsignal LS in die Faser-BraggGitter-Sensoren 21 eingespeist.

   In jedem Faser-Bragg-Gitter-Sensors 21 wird von dem eingespeisten Lichtsignal LS ein Anteil mit der jeweiligen Schwerpunktswellenlänge als TeilReflex-Signal zurückreflektiert. Der übrige Teil des Lichtsignals LS passiert dagegen den betreffenden Faser-BraggGitter-Sensor 21 und trifft gegebenenfalls auf den nächsten Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21. Am Koppler 52 steht dann ein von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 zurückreflektiertes Lichtsignal LS' an, das sich aus den Teil-Reflex-Lichtsignalen der einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 zusammensetzt.

   Die Schwerpunktswellenlängen von mehreren Faser-BraggGitter-Sensoren eines Lichtwellenleiters müssen jedoch nicht gezwungenermassen unterschiedlich sein, wenn zur Unterscheidung der Antwortsignale verschiedene Faser-Bragg-GitterSensoren, beispielsweise ein so genanntes "optical time domain reflectometer" verwendet wird.

Erfährt ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 eine Temperaturänderung, ändert sich dessen Schwerpunktswellenlänge entsprechend dem Betrag der Temperaturänderung und damit der Wellenlängengehalt (= das Wellenlängenspektrum) des vom betreffenden Sensor 21 reflektierten Teil-Reflex-Lichtsignals. Diese Veränderung im Wellenlängengehalt dient als Mass für die zu erfassende Temperaturänderung. Es ist aber auch ein Transmissionsbetrieb denkbar (in den Figuren nicht gezeigt) .

   Hier muss im Gegensatz zum Reflektionsbetrieb das gesamte von der Lichtquelle 51 ausgesandte Wellenlängenspektrum auf fehlende Wellenlängenbereiche untersucht werden. Denn diese fehlenden Wellenlängenbereiche entsprechen den jeweiligen Schwerpunktswellenlängen der einzelnen Sensoren 21.

Das von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 herkommende, in den Koppler 52 wieder eingespeiste Lichtsignal LS' wird vom Koppler 52 zu einer Auswerteeinheit 53 geleitet. Diese umfasst insbesondere einen optischen Wandler, einen Analog/ Digital-Wandler und einen digitalen Signalprozessor. Der optoelektrische Wandler weist vorteilhafterweise ein spektralselektives Element zur Selektion der einzelnen Teilreflexlichtsignale, beispielsweise in Gestalt eines Polychromators, und einen gegebenenfalls auch mehrteiligen Lichtempfänger auf.

   Zur Analyse des Lichtspektrums sind Gitteroder Beugungsspektrometer denkbar. Bei der Verwendung eines "optical time domain reflectometers" genügt beispielsweise auch ein kostengünstiges Kantenfilter. Im Anschluss an die optoelektronische Wandlung findet im Analog/Digital-Wandler eine Analog/Digital-Wandlung statt. Das digitalisierte Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers wird dem digitalen Signalprozessor zugeführt, mittels welchem Messwerte Ml, M2, ... für die in den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 erfassten Temperaturen ermittelt werden. Im Transmissionsbetrieb hingegen kann auf den Koppler 52 verzichtet werden.

   Hier wird an einem Ende der/des Lichtwellenleiter/s 20a, 2Oi das Lichtsignal LS mittels der Lichtquelle 51 eingekoppelt und am anderen Ende der/des Lichtwellenleiter/s 20a, 2Oi von einem optoelektrischen Wandler detektiert.

Die Lichtquelle 51, der Koppler 52 und die Auswerteeinheit 53 sind in einer Sende-/Empfangseinheit 50 zusammengefasst , wobei die Lichtquelle 51 und der Koppler 52 als Einspeisemittel zur Einspeisung des Lichtsignals LS in die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 sowie die Auswerteeinheit 53 mit optoelektrischem Wandler, Analog/Digital-Wandler und digitalem Signalprozessor als Auswertemittel zur Bestimmung eines Messwertes Ml, M2, ... für die von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 21 jeweils erfasste Temperatur aufgefasst werden können.

   In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können diese Untereinheiten oder Teile davon voneinander getrennt, also nicht als gemeinsame Sende-/Empfangseinheit 50, ausgebildet sein. Ausserdem ist auch eine rein analoge Auswertung, beispielsweise mittels einer fest verdrahteten elektronischen Schaltung möglich. Dann wäre kein Analog/Digital-Wandler vorhanden und die Auswerteeinheit 53 mittels Analogtechnik realisiert .

Die in der Sende-/Empfangseinheit 50 erzeugten Messwerte Ml, M2, ... werden beispielsweise mittels einer Funkübertragung zu einer in Figur 1 nicht dargestellten Datenerfassungseinheit übermittelt. Die Datenübertragung kann jedoch grundsätzlich auch leitungsgebunden elektrisch oder optisch erfolgen.

   Ausserdem können die Sende-/Empfangseinheit 50 und die Datenerfassungseinheit auch als gemeinsame Einheit ausgebildet sein.

In Figur 2 ist ein Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Wickelanordnung 30 abgebildet. Die Lichtwellenleiterabschnitte der einzelnen Windungen jeweils eines Lichtwellenleiters 20a, 2Oi sind hierbei äquidistant angeordnet.

In Figur 3 ist ein Lichtwellenleiter 20a, 2Oi im Längsschnitt dargestellt. Der Lichtwellenleiter 20a, 2Oi ist dabei in einem Verbundmaterial 33, insbesondere Giessharz, wie beispielsweise Epoxidharz, eingebettet, mit welchem der Supraleiter 34 im Wickelkörper 31 mechanisch stabilisiert wird. Der Lichtwellenleiter 20a, 2Oi verläuft dabei im Wesentlichen parallel zum benachbarten Supraleiter 34. Es ist weiter ein FaserBragg-Gitter-Sensor 21 dargestellt, der von einem Mantelelement 22 umgeben ist.

   Das Mantelelement 22 ist dabei kraftschlüssig mit dem Lichtwellenleiter 20a, 2Oi und damit auch kraftschlüssig mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 verbunden. Während der Lichtwellenleiter, der in der Regel aus Glas gefertigt ist, bei kryogenen Temperaturen von <= 120 K nahezu keine Ausdehnung bei einer Temperaturveränderung erfährt - der thermische Ausdehnungskoeffizient ist vernachlässigbar - ist das Mantelelement 22 aus einem Material ausgebildet, das gerade bei solch tiefen Temperaturen einen verhältnismässig grossen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

   Als Mantelelementmaterial kommt dabei insbesondere ein Polymer, wie beispielsweise PMMA (Polymethylmethacrylat ) , in Frage.

Während mit einem "nackten" Faser-Bragg-Gitter-Sensor21 beispielsweise ein Temperaturanstieg von 2 K auf 20 K praktisch nicht messbar ist, ist dies ohne weiteres mit einem mit einem Mantelelement 22 versehenen Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 möglieh. Durch die kraftschlüssige Verbindung des Mantelelements 22 mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 dehnt sich bei einer Temperaturerhöhung mit dem Mantelelement 22 ebenfalls auch der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21. Die Dehnung erfolgt insbe-sondere in Erstreckungsrichtung 23 des Lichtwellenleiters 20a, 2Oi, da das Mantelelement 22 eine ausgeprägte Ausdehnung in der Erstreckungsrichtung aufweist .

   Durch die Dehnung verändert, d.h. vergrössert, sich die Gitterkonstante des FaserBragg-Gitter-Sensors 21 und damit die Schwerpunktswellenlänge. Diese Veränderung kann unmittelbar vom eingespeisten Lichtsignal LS abgefragt werden. Das in Figur 3 dargestellte Mantelelement 22 ist zudem rotationssymmetrisch um den Lichtwellenleiter 20a, 2Oi angeordnet. In Erstreckungsrichtung 23 des Lichtwellenleiters 20a, 2Oi verjüngt sich das Mantelelement 22 zu beiden Seiten hin, so dass es im abgebildeten Beispiel beidseitig konisch zuläuft .

   Im Bereich des Faser-BraggGitter-Sensors 21 ist das Mantelelement 22 am dicksten, d.h. der Abstand zwischen dem Lichtwellenleiter 20a, 2Oi und der Aussenfläche des Messelements zumindest in Richtung des nächstliegenden Supraleiters 34 ist im Bereich des FaserBragg-Gitter-Sensors 21 maximal.

Ein derartiger Faser-Bragg-Gitter-Sensor 21 kann typischerweise einen Durchmesser von ca. 200 [mu]m und eine Länge von ca. 10 mm aufweisen. Die Dicke des Mantelelements 22 beträgt dabei maximal 1 mm.

In Figur 4 ist ein Querschnitt durch den in Figur 3 abgebildeten Lichtwellenleiter 20a, 2Oi dargestellt. Das Mantelelement 22 ist wie bereits angegeben rotationssymmetrisch bezüglich des Lichtwellenleiters 20a, 2Oi ausgebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Messeinrichtung zur Temperaturbestimmung in einer kryogenen Umgebung, aufweisend - mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 2Oi) , welcher mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) versehen ist, und über welchen der mindestens eine Faser-Bragg-GitterSensor (21) mittels eines Lichtsignals (LS) abfragbar ist,
Einspeisemittel zur Einspeisung des Lichtsignals (LS) in den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 2Oi), und Auswertemittel (53) zur Bestimmung eines Temperaturmesswertes (Ml, M2,...) aus einem vom mindestens einen FaserBragg-Gitter-Sensor (21) herkommenden Lichtsignal (LS' ) , wobei mindestens ein Mantelelement (22) zumindest im Bereich des mindestens einen Faser-BraggGitter-Sensors (21) den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 2Oi) kraftschlüssig zumindest teilweise umschliesst, und einen grösseren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 2Oi) zumindest bei kryogenen Temperaturen aufweist .
2. Optische Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mantelelement (22) aus einem Polymermaterial, insbesondere aus PMMA, ausgestaltet ist.
3. Optische Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mantelelement (22) aus einem Verbundmaterial, insbesondere einem Giessharz, ausgestaltet ist.
4. Optische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mantelelement (22) eine ausgeprägte Ausdehnung in Erstreckungsrichtung (23) des mindestens einen Lichtwellenleiters (20a, 2Oi) im Bereich des mindestens einen Faser-BraggGitter-Sensors (21) aufweist.
5. Optische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden AnSprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine Mantelelement (22) in Erstreckungsrichtung des mindestens einen Lichtwellenleiters (20a, 2Oi) zu seinen Enden hin verjüngt .
6. Optische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mantelelement (22) rotationssymmetrisch um den mindestens einen Lichtwellenleiter (20a, 2Oi) ausgebildet ist.
7. Optische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Faser-Bragg-GitterSensoren (21) an unterschiedlichen Stellen entlang des mindestens einen Lichtwellenleiters (20a, 2Oi) mit jeweils zugeordneten Mantelelementen (22) .
8. Optische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtsignal (LS) von den Einspeisemitteln gepulst mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz in den mindestens einen LichtWellenleiter (20a, 2Oi) einzuspeisen ist.
9. Wickelanordnung mit mindestens einem Wickelkörper (31) aus einer Vielzahl von Windungen mindestens eines elektrischen Leiters (34), und - einem mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (21) und mindestens einem Mantelelement (22) versehenen Lichtwellenleiter (20a, 2Oi) der optischen Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das mindestens eine Mantelelement (22) in thermischem Kontakt mit dem Wickelkörper (31) steht.
10. Wickelanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 2Oi) innen-seitig und/oder aussenseitig am Wickelkörper (31] angeordnet ist.
11. Wickelanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (31) mit einem Verbundmaterial, insbesondere einem Giessharz, versehen ist.
12. Wickelanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter (20a, 2Oi) im Verbundmaterial eingebettet ist.
13. Wickelanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrische Leiter (34) mindestens ein Supraleiter ist.
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