WO2014037405A1 - Vorrichtung zur detektion thermischer grenzwertüberschreitungen und/oder thermischer grenzwertunterschreitungen und/oder temperaturänderungsraten, insbesondere für eine verwendung zur detektion metallischer gegenstände im bereich einer induktiven ladevorrichtung für elektrofahrzeuge - Google Patents

Vorrichtung zur detektion thermischer grenzwertüberschreitungen und/oder thermischer grenzwertunterschreitungen und/oder temperaturänderungsraten, insbesondere für eine verwendung zur detektion metallischer gegenstände im bereich einer induktiven ladevorrichtung für elektrofahrzeuge Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting thermal limit overshoots and / or thermal
  • the present invention relates to an inductive charging device for electric vehicles with such a device.
  • spatially resolved temperature profiles are determined to detect the exceeding of a thermal limit and the onset of a fire.
  • linear thermal annealer-based copper-based linear thermal annunciators has the disadvantage over linear fiber optic heat-detector systems that the sensor is not inherently immune to electromagnetic compatibility (EMC).
  • - DTS distributed Temperature Sensing
  • Laser light source inelastisch scattered in the fiber material.
  • the ratio of the intensities of the scattered radiation having a shorter wavelength than the excitation (anti-Stokes scattered radiation) to the scattered radiation at longer wavelength (Stokes scattered radiation) is temperature-dependent and can be used for temperature determination.
  • Optical Time Domain Reflectometry can be used to determine the temperature along the optical fiber in a spatially resolved manner
  • Such fiber optic temperature measuring devices can be used, for example, for monitoring the fire in tunnels which are typically longer than 1 km and in channels for monitoring power cables and pipelines the oil and gas extraction are used.
  • the present invention underlying problem is thus to provide a device of the type mentioned, the
  • Charging device of electric vehicles allows. Furthermore, a loading device of the type mentioned is to be specified.
  • the device comprises at least one light source, at least one light guide, into which light emanating from the at least one light source and evaluation means for evaluating the light coupled out of the at least one light guide, wherein the
  • Device is designed such that the evaluation although the presence of a local thermal limit value violation and / or thermal limit underrun and / or
  • the device can be simple and thus manufactured inexpensively.
  • the use of a light guide as a sensor means ensures that the sensor at a advantageous use of the device for detecting metallic objects in the region of an inductive charging device can be designed as a non-metallic sensor.
  • Device enables a fiber-optic measurement of temperature-dependent sum signals of several extended ones
  • Measurement results provided evaluation can be carried out in an advantageous manner relatively simple and therefore cost-effective, since the measurements are not carried out spatially resolved, so that only comparatively small amounts of information and data are generated.
  • the device for detecting metallic objects are more
  • Application fields include, for example
  • Composting plants, biogas plants, wind turbines here for example for temperature monitoring of the
  • Temperature monitoring in the human field such as when using the device in a sensor cover for patient treatment and diagnosis, in which
  • Patient monitoring during treatment and diagnosis for example, heat radiation, MRI, CT
  • treatment and diagnosis for example, heat radiation, MRI, CT
  • Clothing in particular the measurement and monitoring of
  • the device may thus be a fiber optic sensor system using fiber Bragg gratings, that is, optical gratings located in the core of a
  • Fiber optics are located.
  • the position of the reflection peak of the fiber or Bragg gratings is determined by a spectroscopic method and determined from the changes in position, the temperature or strain.
  • spectral or temporal multiplexing methods are used for the measurement of several fiber Bragg gratings. The multiplexing is sometimes quite expensive
  • tunable lasers with a tuning range of about 80 nm are used and fiber Bragg gratings each with 5 nm
  • the distance of about 5 nm is required for non-overlapping operation of the fiber Bragg gratings throughout the temperature and strain range.
  • Larger FBG numbers require the use of multiple measurement channels or temporal multiplexing.
  • temporal multiplexing with very small distances in the cm range
  • GHz range high measurement frequencies
  • the plurality of fiber Bragg gratings each have the same reflection wavelength or that the plurality of fiber Bragg gratings
  • the total distance is segmented into a number (for example 5, 10 or 50) sections each having fiber Bragg gratings of one wavelength, thereby defining the zone definition in the sensor.
  • the device may be configured so that only portions of a predetermined wavelength offset from the light reflected by the fiber Bragg gratings
  • Reflection wavelength of the fiber Bragg gratings detected or processed. In this way, the change in temperature or the elongation of a fiber Bragg grating by a certain value or above a certain threshold to a signal in the
  • Measuring arrangement can be detected. It is then not possible to determine which fiber Bragg grating generates the signal. But this is also for the desired detection of metallic objects in the range of an inductive charging device for electric vehicles not mandatory. It thus results in a simple and inexpensive device that still put the you
  • the device is designed such that the evaluation means can evaluate light generated by spontaneous or stimulated Brillouin scattering in the at least one light guide for measuring a temperature.
  • standard optical fibers such as, for example, single-mode fibers similar to those from telecommunications, can be used, whereby the cost portion of the sensor cable can be comparatively low. This is particularly advantageous with a high number of too
  • Time-resolved measurement which serve solely the location determination, can be dispensed with.
  • the at least one light source can emit light with a first wavelength and that the
  • Evaluation means have a spectral filter, the light with a second wavelength passes, the difference of the first
  • Wavelength and the second wavelength corresponds to the Brillouin shift at the temperature to be measured. In this way, the achievement of the temperature to be measured by a
  • the temperature to be measured may be, for example, a temperature at which the presence of an object heated by the charging process can be assumed.
  • the device comprises either two laser sources designed as lasers, which can emit a first laser signal with a first wavelength and a second laser signal with a second wavelength, or that the at least one light source is designed such that it generates a first laser signal with a first wavelength and a second laser signal having a second wavelength, wherein the difference of the first wavelength and the second wavelength corresponds to the Brillouin shift at the temperature to be measured. In this way, the stimulated Brillouin scattering can be used.
  • the two laser sources designed as lasers which can emit a first laser signal with a first wavelength and a second laser signal with a second wavelength
  • the at least one light source is designed such that it generates a first laser signal with a first wavelength and a second laser signal having a second wavelength, wherein the difference of the first wavelength and the second wavelength corresponds to the Brillouin shift at the temperature to be measured.
  • the stimulated Brillouin scattering can be used.
  • Laser signals can be coupled from opposite ends in the light guide. If the Brillouin frequency is now at one or more locations within the light guide
  • Wavelength difference of the two laser signals, a "reflected" signal of the interrogation laser is measured.
  • the device comprises an interferometric structure, wherein the at least one optical fiber part of this interferometric
  • a temperature change of a light guide causes a change in the optical length of the light guide by mechanical change in length and / or change in the refractive index
  • Length change can be detected very sensitively with an interferometric structure.
  • the device comprises a tube which surrounds the at least one light guide in such a way that it can move relative to the tube during thermal expansion. In this way, a mechanical decoupling of the at least one light guide is achieved by its environment, so that the
  • Heating of the light guide can be influenced.
  • Claim 10 provides that an inductive
  • the inductive charging device can be any suitable inductive charging device.
  • a primary coil which may be arranged for example in a roadway.
  • a secondary coil may be provided or included by the inductive charging device, which is accommodated in particular in a vehicle.
  • the loading device comprises a plate or a bottom section, in which the at least one light guide is arranged.
  • the light guide can also be arranged in the vehicle.
  • the sensor cable should be close to the surface to provide sufficient thermal coupling to the sensor
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first embodiment of a device according to the invention for the detection of metallic objects
  • FIG. 2 shows a schematic view of a second embodiment of a device according to the invention for detecting metallic objects
  • FIG. 3 shows a schematic view of a third embodiment of a device according to the invention for the detection of metallic objects
  • FIG. 4 shows a schematic view of a fourth embodiment of a device according to the invention for the detection of metallic objects
  • FIG. 5 shows a schematic view of a fifth embodiment of a device according to the invention for detecting metallic objects
  • FIG. 6 shows a schematic view of a sixth embodiment of a device according to the invention for the detection of metallic objects
  • Fig. 7 is a schematic side view of a first
  • FIG. 8 shows a schematic plan view of the inductive charging device according to FIG. 7;
  • Fig. 9 is a schematic side view of a second
  • Optical fiber of a device according to the invention for the detection of metallic objects.
  • Electric vehicles suitable can also be used in other fields of application.
  • FIGS. 1 to 3 illustrate examples of a device which
  • the plurality of fiber Bragg gratings 2 has the same reflection wavelength as exactly as possible.
  • the reflection wavelengths of the individual fiber Bragg gratings 2 differ by less than 1.0 nm, preferably by less than 0.5 nm, in particular by less than 0.1 nm from one another.
  • the first embodiment shown in FIG. 1 comprises a laser source 3, of which the one for measurement
  • the used light emanates and coupled for example via an optional connector 4 in the optical fiber used for measurement 1.
  • the light guide 1 is at its from the light source. 3
  • the termination 5 should be designed so that at the end of the
  • Reflection signal superimpose the signals of the fiber Bragg grating 2 could.
  • the optical fiber for example, tight rolled up, cut off obliquely and / or in a material with the like
  • the reflected back from the fiber Bragg gratings 2 light is coupled via the connector 4 from the light guide 1 and a
  • the receiver 6 supplied.
  • the receiver 6 is with a
  • Transmitter 7 is connected, which in turn may be connected to an interface 8 or corresponding outputs.
  • Reference numerals 25 in FIG. 1 to FIG. 3 designate fiber-optic coupling elements, such as light dividers, combiners, spectral splitters and circulators.
  • filters 9 formed evaluation means can be designed so that of the reflected light only portions with a predetermined wavelength offset relative to the
  • Reflection wavelength of the fiber Bragg grating 2 detected or
  • Temperature or the elongation of a fiber Bragg grating 2 are detected by a certain value or above a certain threshold to a signal in the evaluation means. Although it is then not possible to determine which fiber Bragg grating 2 generates the signal, this is however for the desired detection of metallic objects in the region of an inductive charging device for
  • a fiber Bragg grating 2 in an inorganic glass fiber typically changes the reflection wavelength by 0.001% / ° C. That is, to a temperature change of 50 ° C over the
  • the spectral offset between fiber Bragg grating 2 and the evaluation means be about 0.05%, for example, 0.5 nm at a wavelength of 1 ⁇ .
  • the wavelength change may be larger (up to about 20 nm / 50 ° C) and easier to measure. However, here must be the
  • the fiber Bragg gratings can be continuous or in small
  • a method for the continuous introduction of fiber Bragg gratings is preferably a short pulse laser (for example, a femtosecond laser), the pulse at a constant repetition rate on the guided at a constant speed light guide
  • the laser periodically alters the optical properties (refractive index) of the optical fiber in the core and thus creates a grating.
  • the fiber Bragg grating can be continuously written by the Overcoat of the light guide can be written and that the decisive for a constant grating period parameters (temperature, strain, optical fiber propulsion speed and repetition rate of the laser) can be controlled very accurately.
  • the UV laser uses
  • Photorefractive effects in the fiber core which in the case of irradiation with the high-energy UV photons in optionally special
  • Interference structure or the master is determined.
  • process parameters such as temperature and strain are to be controlled very precisely, in order to make fiber Bragg gratings as equal as possible
  • the optical fiber should be mechanically decoupled from the environment such that strain does not
  • a tube 9 which may for example have a diameter of 1 mm to 5 mm.
  • a certain excess length of the light guide 1 relative to the tube 9 is useful to stress-free thermal
  • the tube 9 is in particular made of plastic.
  • the tube 9 simultaneously provides mechanical protection for the light guide 1.
  • a the light guide 1 and the tube. 9 comprehensive sensor cable 10 may contain other components for the protection of the optical fiber 1, this example, the train, pressure, chemical and biological
  • the optical fiber 1 is not to be decoupled, but mechanically coupled well to the object to be measured in order to allow a corresponding transmission of the strain.
  • a device comprises one or more fiber-coupled light source (s) 3 and a detection device, which is likewise connected to the light guide 1.
  • the device according to FIG. 3 comprises three light sources 3.
  • the at least one light source 3 may be narrow (bandwidth about ⁇ 1 nm) or broadband (> 1 nm).
  • the device may include filter means 11 for filtering out the wavelengths to be measured (see for example the embodiment according to FIG. 2).
  • Filter elements 11 may be in the light path before or after
  • the device comprises one or more receivers 6 for detection, which can also act as filter means. There is a possibility that switching or
  • Modulation techniques are used to extract useful signals from
  • the transmitter 7 amplifies and measures the received
  • Ausenseschn get along, but require the use of specially prepared light guide with the fiber Bragg gratings.
  • the technique could thus be advantageous if the number of measurement points or the length of the sensor cable 10 are limited so far that the price of the light guide is not too high.
  • the embodiments of a device according to the invention depicted in FIGS. 4 and 5 utilize the Brillouin scattering in one or more light guides 12.
  • This at least one light guide 12 has no fiber Bragg grating. Rather, it can be designed as a standard optical fiber, for example as a single-mode fiber similar to those from telecommunications.
  • the spontaneous Brillouin scattering is measured.
  • the light source 3 may be formed as a narrow-band laser (bandwidth, for example, 10 MHz or smaller).
  • the laser is connected to a temperature or current regulator 13.
  • the receiver 6 is provided with a superior narrow-band filter 11.
  • filters designed as Fabry-Perot should have a spectral offset from the laser wavelength that corresponds to the Brillouin shift at the temperature to be measured. Then reaching the temperature can be detected by a corresponding measurement signal.
  • the stimulated Brillouin scattering is measured.
  • the embodiment according to FIG. 5 uses two light sources 3, 14 designed as narrow-band lasers
  • Narrow-band laser signals excitation and interrogation laser
  • a around the measured Brillouin shift different
  • the second laser is connected to a second temperature or current regulator 15.
  • the laser signals emanating from the two light sources 3, 14 are transmitted from opposite ends into the light guide 12
  • Optical fiber 12 is bent on the right in Fig. 5 side by 180 ° and runs back through the tube 9.
  • Transmitter 8 coupled. If, at one or more locations within the light guide 12, the Brillouin frequency now matches the wavelength difference of the two laser signals due to the temperature of the location, a "reflected" signal of the interrogation laser is measured.
  • the wavelength difference between the two laser signals should be very closely controlled. This happens, for example, through the coupling of two lasers via an optical one
  • Phase locked loop 16 which controls the current or temperature of the lasers (see Fig. 5).
  • Another possibility for generating two laser signals with precisely controlled wavelength difference is to use a single laser and to generate the second signal by modulating the laser radiation (for example with an electro-optical modulator) at a few GHz. For distinguishing the useful signal from
  • Interference signals may include modulation methods (e.g. Lock-in technique) can be used.
  • modulation methods e.g. Lock-in technique
  • the Lock-in technique e.g. Lock-in technique
  • Scanning laser are modulated with a certain frequency and the signal narrowband at the same frequency are measured.
  • the Brillouin method is especially for larger ones
  • Peak analysis of the amplitude curve over the frequency is performed.
  • Fig. 6 is an embodiment of an inventive
  • the light guide 12 is bent on the right in Fig. 6 side by 180 ° and extends back through the tube 9.
  • a change in temperature of the light guide 12 causes a change in the optical length of the light guide 12 by mechanical
  • the construction shown in FIG. 6 comprises a light source 3 with a sufficient coherence length, such as in particular a laser, corresponding beam splitters and beam combiners, the loop of the light guide 12 to be measured, which is in particular mechanically decoupled, and the receiver 6 and the evaluation electronics 7 furthermore, the possibility of providing polarization-effective components.
  • a light source 3 with a sufficient coherence length such as in particular a laser, corresponding beam splitters and beam combiners
  • the loop of the light guide 12 to be measured which is in particular mechanically decoupled
  • the receiver 6 and the evaluation electronics 7 furthermore, the possibility of providing polarization-effective components.
  • Changes in the optical path length can be detected at multiple passes through signal maxima and minima.
  • At least one polarization-effective or phase-effective element 26 in the structure according to FIG. 6, which is indicated by dashed lines in FIG.
  • Interferometry as shown in FIG. 6 can be adjusted.
  • FIGS. 7 and 8 schematically show a charging device in which the sensor cable 10 is installed in the roadway 18.
  • the primary coil 17 is provided with a power supply 21 and a controller 22
  • the sensor cable 10 is connected to a measuring device 23
  • FIGS. 1 to 6 which comprises the components described in connection with FIGS. 1 to 6, such as at least one light source 3, 14 and evaluation means.
  • the sensor cable 10 is located close to the upper surface of the track 18 in order to achieve sufficient thermal coupling to the objects to be measured. In doing so, the
  • the sensor cable 10 could be slotted in
  • the sensor cable 10 can also be installed in a plastic cover serving as a primary coil 17 induction coil. For example, that could
  • Sensor cables are incorporated into the matrix during fabrication of a composite material and fixed in the material upon insertion of the second (liquid, curing) component.
  • Fig. 9 shows schematically a loading device in which the
  • Sensor cable 10 is installed in the vehicle 20.
  • the sensor cable 10 is also in this embodiment close to the lower surface to a sufficient thermal coupling to to reach the objects to be measured. In doing so, the heat is dissipated by rising warm air to the near the bottom of the
  • Vehicle arranged sensor cable 10 transmitted.
  • FIGS. 10 a to 10 e show
  • the interferometric measurement it may be useful to place a plurality of loops 24 in the surface and to measure them individually in order to enable localization or to detect or compensate for background effects such as, for example, the heating of the matrix during charging operation (see FIG. 10 e).
  • Application fields include, for example
  • Temperature monitoring in the human field such as when using the device in a sensor cover for patient treatment and diagnosis, in which
  • Patient monitoring during treatment and diagnosis for example, heat radiation, MRI, CT
  • treatment and diagnosis for example, heat radiation, MRI, CT
  • Clothing in particular the measurement and monitoring of
  • Body temperature for example, by sensor insertion in Sportswear, sleepwear or other clothing
  • connection of a portable, miniaturized evaluation unit with storage means for data recording and an interface for reading the data for example, by sensor insertion in Sportswear, sleepwear or other clothing

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion thermischer Grenzwertüberschreitungen und/oder thermischer Grenzwertunterschreitungen und/oder Temperaturänderungsraten, insbesondere für eine Verwendung zur Detektion metallischer Gegenstände im Bereich einer induktiven Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge, umfassend mindestens eine Lichtquelle (3, 13), mindestens einen Lichtleiter (1, 12), in den von der mindestens einen Lichtquelle (3, 13) ausgehendes Licht eingekoppelt werden kann, sowie Auswertemittel zur Auswertung des aus dem mindestens einen Lichtleiter (1, 12) ausgekoppelten Lichts, wobei die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Auswertemittel zwar das Vorhandensein einer lokalen thermischen Grenzwertüberschreitung und/oder thermischen Grenzwertunterschreitung und/oder Temperaturänderungsrate des mindestens einen Lichtleiters (1, 12), nicht jedoch deren Position bestimmen oder bestimmen können.

Description

„Vorrichtung zur Detektion thermischer Grenzwertüberschreitungen und/oder thermischer Grenzwertunterschreitungen und/oder Temperaturänderungsraten, insbesondere für eine Verwendung zur Detektion metallischer Gegenstände im Bereich einer
induktiven Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion thermischer Grenzwertüberschreitungen und/oder thermischer
Grenzwertunterschreitungen und/oder Temperaturänderungsraten, insbesondere für eine Verwendung zur Detektion metallischer
Gegenstände im Bereich einer induktiven Ladevorrichtung für
Elektrofahrzeuge. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine induktive Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge mit einer derartigen Vorrichtung.
Definitionen: Wenn im Folgenden die Begriffe Licht, optische
Strahlung oder optisches Signal verwendet werden, ist damit
elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich,
insbesondere vom XUV bis zum FIR, gemeint.
In einigen technischen Applikationsfeldern, wie zum Beispiel bei einer linearen Wärmemeldung oder Branddetektion in Gebäuden oder Tunneln, werden ortsaufgelöste Temperaturprofile bestimmt, um die Überschreitung eines thermischen Grenzwerts und das Ausbrechen eines Brandes zu erfassen. Die für diesen Zweck prinzipiell
einsetzbaren kupferbasierten linearen Wärmemeldevorrichtungen zur linearen Wärmemeldung weisen gegenüber linearen faseroptischen Wärmemeldersystemen den Nachteil auf, dass der Sensor nicht inhärent immun hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist.
Aus dem Stand der Technik sind zum Beispiel auch faseroptische Temperaturmessvorrichtungen (engl.: „Distributed Temperature Sensing" - DTS) bekannt, die optische Effekte in Lichtleitfasern zur ortsaufgelösten Temperaturmessung nutzen können. Beispielsweise kann zu diesem Zweck der physikalische Effekt der Raman-Streuung ausgenutzt werden. Hierbei wird die Strahlung einer schmalbandigen Quelle elektromagnetischer Strahlung (zum Beispiel die einer
Laserlichtquelle) inelastisch im Fasermaterial gestreut. Das Verhältnis der Intensitäten der Streustrahlung mit kürzerer Wellenlänge als die Anregung (Anti-Stokes-Streustrahlung) zu der Streustrahlung bei längerer Wellenlänge (Stokes-Streustrahlung) ist temperaturabhängig und kann zur Temperaturbestimmung verwendet werden. Durch
Nutzung von Frequenztechniken (engl.:„Optical Frequency-Domain Reflectometry" - OFDR, wie zum Beispiel in der EP 0 692705 A1 oder der EP 0898 151 beschrieben) oder Pulstechniken (engl.:
„Optical Time-Domain Reflectometry" - OTDR) kann die Temperatur entlang der Lichtleitfaser ortsaufgelöst bestimmt werden. Derartige faseroptische Temperaturmessvorrichtungen können beispielsweise zur Brandüberwachung in Tunneln, die typischerweise eine Länge > 1 km haben, und Kanälen, zur Überwachung von Energiekabeln und Pipelines sowie bei der Öl- und Gasförderung eingesetzt werden.
Diese Technologie ist relativ aufwändig und mit hohen Kosten für die Auswerteeinheit verbunden. Die Messungen ortsaufgelöster
Temperaturprofile mit den vorstehend genannten Verfahren erzeugen zudem sehr große Informations- und Datenmengen, die in zahlreichen Applikationen, bei denen zum Beispiel Summensignale ausgedehnter Längenabschnitte durchaus ausreichend wären, nicht zwingend erforderlich sind.
Beim Laden von Elektrofahrzeugen an induktiven Ladevorrichtungen besteht das Problem, dass metallische Gegenstände zwischen den Spulen aufgeheizt werden können. Die teilweise recht kleinen heißen Gegenstände wie beispielsweise Münzen sollen auf größeren Flächen (einige dm2 bis einige m2) zuverlässig und rasch erkannt werden. Dabei dürfen keine metallischen Sensoren verwendet werden. Die Lösung soll kostengünstig sein. Ein Erkennen der genauen Position des Gegenstands ist dabei allerdings nicht wichtig. Das der
vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist somit die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die
kostengünstig ist und/oder mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Detektion thermischer Grenzwertüberschreitungen und/oder
thermischer Grenzwertunterschreitungen und/oder
Temperaturänderungsraten, insbesondere für eine Verwendung zur Erkennung von metallischen Gegenständen im Bereich einer
Ladevorrichtung von Elektrofahrzeugen, ermöglicht. Weiterhin soll eine Ladevorrichtung der eingangs genannten Art angegeben werden.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine induktive Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung mindestens eine Lichtquelle, mindestens einen Lichtleiter, in den von der mindestens einen Lichtquelle ausgehendes Licht eingekoppelt werden kann, sowie Auswertemittel zur Auswertung des aus dem mindestens einen Lichtleiter ausgekoppelten Lichts umfasst, wobei die
Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Auswertemittel zwar das Vorhandensein einer lokalen thermischen Grenzwertüberschreitung und/oder thermischen Grenzwertunterschreitung und/oder
Temperaturänderungsrate (insbesondere einer lokalen
Temperaturerhöhung) des mindestens einen Lichtleiters, nicht jedoch deren Position bestimmen oder bestimmen können. Durch diese Gestaltung kann die Vorrichtung einfach aufgebaut sein und damit kostengünstig hergestellt werden. Die Verwendung eines Lichtleiters als Sensormittel gewährleistet, dass der Sensor bei einer vorteilhaften Verwendung der Vorrichtung zur Detektion metallischer Gegenstände im Bereich einer induktiven Ladevorrichtung als nichtmetallischer Sensor ausgebildet sein kann. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine faseroptische Messung temperaturabhängiger Summensignale mehrerer ausgedehnter
Längenabschnitte oder der Gesamtstrecke des als Sensormittel eingesetzten Lichtwellenleiters. Die für die Auswertung der
Messergebnisse vorgesehene Auswerteeinheit kann in vorteilhafter Weise relativ einfach und damit auch kostengünstig ausgeführt werden, da die Messungen nicht ortsaufgelöst erfolgen, so dass nur vergleichsweise geringe Informations- und Datenmengen erzeugt werden. Neben der vorstehend genannten Verwendung der Vorrichtung zur Detektion metallischer Gegenstände bestehen weitere
Applikationsfelder, bei denen Temperaturinformationen nicht
zwingend ortsaufgelöst vorliegen müssen. Zu diesen
Applikationsfeldern gehören zum Beispiel
- die lineare Wärmemeldung und Branddetektion in Gebäuden
(zum Beispiel in Flugzeughallen, Hochregallagern, Tierställen, Kühltürmen, Kühllagern, Server-Räumen) sowie in Straßen- oder Bahntunneln,
- die lineare Wärmemeldung in industriellen Anlagen und
industriellen Prozessen, insbesondere Kabeltrassen,
Förderanlagen und Förderbändern, Stromverteileranlagen, Filteranlagen, Schwimmdachtanks, Anlagen der
Materialflusstechnik, Lackieranlagen, Flüssiggastanks,
Kompostierungsanlagen, Biogasanlagen, Windkraftanlagen (hier zum Beispiel zur Temperaturüberwachung der
Getriebeöltemperatur um ein Gefrieren zu vermeiden, zur
Messung der Temperatur der Generatorwicklungen und zur Messung der Leitertemperaturen), bei Aushärtprozessen von Verbundwerkstoffen, bei der Überwachung von Öfen, bei der Überwachung thermischer Prozesse in der Industrie, bei der Lecküberwachung,
- thermische Überwachung von Betriebskomponenten, wie zum Beispiel Motoren, Generatoren und Transformatoren (hier zum Beispiel die Temperaturüberwachung der Wicklungen und des Transformatorkerns, Abschaltung beziehungsweise Trennung der Wicklungen bei der Überschreitung einer Maximaltemperatur sowie die Steuerung von zur Leistungssteigerung eingesetzten Ventilatorsystemen in Abhängigkeit von den gemessenen
Maximaltemperaturen), Akkumulatoren in der Fahrzeug- und Flugzeugtechnik (hier insbesondere bei der Nutzung von
Lithium-Akkumulatoren in Flugzeugen und Elektrofahrzeugen und zur Erfassung einer möglichen Explosions- und Brandgefahr bei Überhitzung, die zum Beispiel durch eine Überlast oder durch einen Defekt innerhalb des Akkumulators hervorgerufen wird),
- Temperaturüberwachung im Humanbereich, wie zum Beispiel bei einer Verwendung der Vorrichtung in einer Sensordecke für die Patientenbehandlung und Diagnose, bei der
Patientenüberwachung während der Behandlung und Diagnose (zum Beispiel bei Wärmebestrahlung, MRT, CT),
- Kleidung, insbesondere die Messung und Überwachung der
Körpertemperatur (zum Beispiel durch Sensoreinbringung in Sportbekleidung, Schlafbekleidung oder sonstige Bekleidung), Anschluss einer portablen, miniaturisierten Auswerteeinheit mit Speichermitteln zur Datenaufzeichnung und einer Schnittstelle zum Auslesen der Daten. Es besteht die Möglichkeit, dass der mindestens eine Lichtleiter eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern (FBG) aufweist. Die Vorrichtung kann somit ein faseroptisches Sensorsystem sein, das Faser-Bragg- Gitter verwendet, also optische Gitter, die sich im Kern eines
Lichtleiters befinden.
Es ist aus anderen Anwendungsgebieten bekannt, einzelne Faser- Bragg-Gitter oder Ketten von Faser-Bragg-Gittern zur Messung einer Temperatur (oder einer Dehnung) an einzelnen oder mehreren
Positionen einzusetzen. Dabei wird mit einem spektroskopischen Verfahren die Position des Reflexionspeaks des oder der Faser- Bragg-Gitter bestimmt und aus den Veränderungen der Position die Temperatur oder die Dehnung bestimmt. Für die Messung mehrerer Faser-Bragg-Gitter werden spektrale oder zeitliche Multiplexverfahren eingesetzt. Das Multiplexen ist teilweise recht aufwändig
beziehungsweise beschränkt auch die Zahl der nutzbaren Faser- Bragg-Gitter und/oder die Ortsauflösung. So werden beispielsweise durchstimmbare Laser mit einem Durchstimmbereich von ca. 80 nm eingesetzt und Faser-Bragg-Gitter mit jeweils um 5 nm
unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt. Der Abstand von etwa 5 nm ist erforderlich für einen nicht überlappenden Betrieb der Faser- Bragg-Gitter im gesamten Temperatur- und Dehnungsbereich.
Kleinere Abstände sind möglich für eingeschränkte Messbereiche. Trotzdem ist die Gesamtzahl der Faser-Bragg-Gitter in einem
Messkanal sehr beschränkt, beispielsweise auf typisch 16 Stück mit den genannten Werten. Größere FBG-Zahlen erfordern den Einsatz mehrerer Messkanäle oder des zeitlichen Multiplexen. Zeitliches Multiplexen mit sehr kleinen Abständen (im cm-Bereich) erfordert aber eine komplexe Messtechnik mit hohen Messfrequenzen (GHz- Bereich). Dies ist für die vorliegende Aufgabenstellung zu aufwändig. Außerdem sind die für die vorliegende Aufgabenstellung unter
Umständen erforderlichen Zahlen von Messstellen (einige 100 bis einige 10000) mit den bekannten Verfahren nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu realisieren.
Daher kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern jeweils die gleiche Reflexionswellenlänge aufweisen oder dass die Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern
Reflexionswellenlängen aufweisen, die sich um weniger als 1,0 nm, vorzugsweise um weniger als 0,5 nm, insbesondere um weniger als 0,1 nm voneinander unterscheiden. Diese Maßnahme kann die
Auswertung der Messsignale beträchtlich vereinfachen.
Insbesondere kann ein Summensignal mehrerer Faser-Bragg-Gitter mit im Wesentlichen gleicher Wellenlänge über die gesamte
Messstrecke oder alternativ über einzelne Sektionsabschnitte erfasst werden, so dass die Gesamtstrecke auf eine Anzahl (zum Beispiel 5, 10 oder 50) Sektionen segmentiert wird, die jeweils Faser-Bragg- Gitter einer Wellenlänge aufweisen, wodurch die Zonendefinition im Sensor festgelegt ist. Dabei kann eine Kalibrierung der Vorrichtung auf die Gesamtstrecke oder alternativ auf die einzelnen
Segmentstrecken erfolgen.
Die Vorrichtung kann insbesondere so gestaltet sein, dass von dem durch die Faser-Bragg-Gitter reflektierten Licht nur Anteile mit einem vorgegebenen Wellenlängenversatz gegenüber der
Reflexionswellenlänge der Faser-Bragg-Gitter erfasst oder verarbeitet werden. Auf diese Weise kann die Änderung der Temperatur oder die Dehnung eines Faser-Bragg-Gitters um einen bestimmten Wert oder oberhalb einer bestimmten Schwelle an einem Signal in der
Messanordnung erkannt werden. Es lässt sich dann zwar nicht feststellen, welches Faser-Bragg-Gitter das Signal erzeugt. Das ist aber für die gewünschte Detektion von metallischen Gegenständen im Bereich einer induktiven Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge auch nicht erforderlich. Es ergibt sich somit eine einfache und kostengünstige Vorrichtung, die trotzdem den an sie gestellten
Anforderungen genügt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Auswertemittel durch spontane oder stimulierte Brillouin-Streuung in dem mindestens einen Lichtleiter erzeugtes Licht zur Messung einer Temperatur auswerten können. Dabei können im Unterschied zur FBG-Technik Standard-Lichtleiter, wie beispielsweise Single-Mode-Fasern ähnlich denen aus der Telekommunikation, eingesetzt werden, wodurch der Kostenanteil des Sensorkabels vergleichsweise gering ausfallen kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer hohen Zahl von zu
erfassenden Messpunkten beziehungsweise bei großen
Lichtleiterlängen.
Es ist aus anderen Anwendungsgebieten bekannt, die stimulierte oder spontane Brillouin-Streuung in Lichtleitern zur Messung von
Temperatur und Dehnung in Lichtleitern einzusetzen. Leider ist die aus anderen Anwendungsgebieten bekannte Technik für die Brillouin- Messungen sehr aufwändig. In Anbetracht der vorliegenden
Aufgabenstellung wird berücksichtigt, dass nur die Existenz einer heißen oder kalten Stelle gemessen werden soll, nicht aber deren Position. Dadurch lässt sich aber auch hier eine deutliche
Vereinfachung erzielen. Es zeigt sich, dass auf aufwändige
technische Komponenten zur Modulation, Demodulation und
zeitaufgelösten Messung, die allein der Ortsbestimmung dienen, verzichtet werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lichtquelle Licht mit einer ersten Wellenlänge aussenden kann und dass die
Auswertemittel einen spektralen Filter aufweisen, der Licht mit einer zweiten Wellenlänge durchlässt, wobei die Differenz der ersten
Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge der Brillouin-Verschiebung bei der zu messenden Temperatur entspricht. Auf diese Weise lässt sich das Erreichen der zu messenden Temperatur durch ein
entsprechendes Messsignal aufgrund spontaner Brillouin-Streuung nachweisen. Die zu messende Temperatur kann beispielsweise eine Temperatur sein, bei der von dem Vorhandensein eines durch den Ladevorgang aufgeheizten Gegenstands ausgegangen werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung entweder zwei als Laser ausgebildete Lichtquellen umfasst, die ein erstes Lasersignal mit einer ersten Wellenlänge und ein zweites Lasersignal mit einer zweiten Wellenlänge aussenden können, oder dass die mindestens eine Lichtquelle so ausgebildet ist, dass sie ein erstes Lasersignal mit einer ersten Wellenlänge und ein zweites Lasersignal mit einer zweiten Wellenlänge aussenden kann, wobei die Differenz der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge der Brillouin-Verschiebung bei der zu messenden Temperatur entspricht. Auf diese Weise kann die stimulierten Brillouin-Streuung genutzt werden. Die beiden
Lasersignale können dabei von entgegengesetzten Enden in den Lichtleiter eingekoppelt werden. Stimmt nun an einem oder mehreren Orten innerhalb des Lichtleiters die Brillouin-Frequenz mit dem
Wellenlängenunterschied der beiden Lasersignale überein, wird ein „reflektiertes" Signal des Abfragelasers gemessen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung einen interferometrischen Aufbau umfasst, wobei der mindestens eine Lichtleiter Teil dieses interferometrischen
Aufbaus ist. Eine Temperaturänderung eines Lichtleiters bewirkt eine Änderung der optischen Länge des Lichtleiters durch mechanische Längenänderung und/oder Änderung des Brechungsindex
beziehungsweise der Gruppengeschwindigkeit. Solch eine Längenänderung kann mit einem interferometrischen Aufbau sehr empfindlich nachgewiesen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ein Röhrchen umfasst, das den mindestens einen Lichtleiter derart umgibt, dass er sich bei thermischen Ausdehnungen relativ zu dem Röhrchen bewegen kann. Auf diese Weise wird eine mechanische Entkopplung des mindestens einen Lichtleiters von seiner Umgebung erreicht, so dass die
Messungen im Wesentlichen durch die insbesondere lokale
Erwärmung des Lichtleiters beeinflusst werden.
Anspruch 10 sieht vor, dass eine erfindungsgemäße induktive
Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge eine erfindungsgemäße
Vorrichtung umfasst. Die induktive Ladevorrichtung kann
insbesondere eine Primärspule umfassen, die beispielsweise in einer Fahrbahn angeordnet sein kann. Weiterhin kann eine Sekundärspule vorgesehen oder von der induktiven Ladevorrichtung umfasst sein, die insbesondere in einem Fahrzeug untergebracht ist.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Ladevorrichtung eine Platte oder eine Bodenabschnitt umfasst, in dem der mindestens eine Lichtleiter angeordnet ist. Alternativ kann der Lichtleiter auch in dem Fahrzeug angeordnet sein. Das den Lichtleiter umfassende Sensorkabel sollte sich in beiden Fällen nahe an der Oberfläche befinden, um eine ausreichende thermische Kopplung an die zu messenden
Gegenstände zu erreichen. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig.4 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 7 eine schematische Seitenansicht einer ersten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen induktiven Ladevorrichtung; Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf die induktive Ladevorrichtung gemäß Fig. 7;
Fig. 9 eine schematische Seitenansicht einer zweiten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen induktiven Ladevorrichtung;
Fig. 10a ein erstes Verlegungsbeispiel für den mindestens einen
Lichtleiter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 10b ein zweites Verlegungsbeispiel für den mindestens einen
Lichtleiter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 10c ein drittes Verlegungsbeispiel für den mindestens einen
Lichtleiter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 10d ein viertes Verlegungsbeispiel für den mindestens einen
Lichtleiter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen;
Fig. 10e ein fünftes Verlegungsbeispiel für den mindestens einen
Lichtleiter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von metallischen Gegenständen.
In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Nachfolgend sollen mehrere Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Detektion thermischer Grenzwertüberschreitungen und/oder thermischer Grenzwertunterschreitungen und/oder Temperaturänderungsraten erläutert werden. Derartige Vorrichtungen sind insbesondere für eine Verwendung zur Detektion metallischer Gegenstände im Bereich einer induktiven Ladevorrichtung für
Elektrofahrzeuge geeignet. Auch in anderen Applikationsfeldern ist eine derartige Vorrichtung einsetzbar.
Fig. 1 bis Fig. 3 stellen Beispiele einer Vorrichtung dar, die
mindestens einen Lichtleiter 1 mit einer Mehrzahl von Faser-Bragg- Gittern 2 umfasst. Die Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern 2 weist möglichst exakt die gleiche Reflexionswellenlänge auf. Insbesondere unterscheiden sich die Reflexionswellenlängen der einzelnen Faser- Bragg-Gittern 2 um weniger als 1,0 nm, vorzugsweise um weniger als 0,5 nm, insbesondere um weniger als 0,1 nm voneinander.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich bei einem anorganischen beziehungsweise mineralischen Lichtleiter 1 die Reflexionswellenlängen der einzelnen Faser-Bragg-Gittern 2 um weniger als 0,1 nm voneinander unterscheiden. Dagegen kann bei einem polymeroptischen Lichtleiter 1 vorgesehen sein, dass sich die Reflexionswellenlängen der einzelnen Faser-Bragg-Gittern 2 um weniger als 1,0 nm voneinander unterscheiden.
Die in Fig. 1 abgebildete erste Ausführungsform umfasst eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 3, von der das zur Messung
verwendete Licht ausgeht und beispielsweise über einen optionalen Stecker 4 in den zur Messung verwendeten Lichtleiter 1 eingekoppelt wird. Der Lichtleiter 1 ist an seinem von der Lichtquelle 3
abgewandten Ende mit einer Terminierung 5 versehen.
Die Terminierung 5 sollte so gestaltet sein, dass am Ende des
Lichtleiters eine möglichst geringe Reflexion auftritt, weil das
Reflexionssignal die Signale der Faser-Bragg-Gitter 2 überlagern könnte. Hierzu kann das Lichtleiterende beispielsweise eng aufgerollt, schräg abgeschnitten und/oder in ein Material mit ähnlichem
Brechungsindex eingebettet werden.
Das von den Faser-Bragg-Gittern 2 zurückreflektierte Licht wird über den Stecker 4 aus dem Lichtleiter 1 ausgekoppelt und einem
Empfänger 6 zugeführt. Der Empfänger 6 ist mit einer
Auswerteelektronik 7 verbunden, die wiederum mit einer Schnittstelle 8 oder entsprechenden Ausgängen verbunden sein kann.
Mit den Bezugszeichen 25 sind in Fig. 1 bis Fig. 3 faseroptische Kopplungselemente, wie beispielsweise Lichtteiler, Kombinierer, Spektralteiler und Zirkulatoren, bezeichnet.
Die von dem Empfänger 7 und der Auswerteelektronik 8 und
gegebenenfalls Filtern 9 (siehe Fig. 2) gebildeten Auswertemittel können so gestaltet sein, dass von dem reflektierten Licht nur Anteile mit einem vorgegebenen Wellenlängenversatz gegenüber der
Reflexionswellenlänge der Faser-Bragg-Gitter 2 erfasst oder
verarbeitet werden. Auf diese Weise kann die Änderung der
Temperatur oder die Dehnung eines Faser-Bragg-Gitters 2 um einen bestimmten Wert oder oberhalb einer bestimmten Schwelle an einem Signal in den Auswertemitteln erkannt werden. Es lässt sich dann zwar nicht feststellen, welches Faser-Bragg-Gitter 2 das Signal erzeugt, das ist aber für die gewünschte Detektion von metallischen Gegenständen im Bereich einer induktiven Ladevorrichtung für
Elektrofahrzeuge auch nicht erforderlich.
Ein Faser-Bragg-Gitter 2 in einem anorganischen Glaslichtleiter ändert die Reflexionswellenlänge typischerweise um 0,001 %/°C. Das heißt, um eine Temperaturänderung von 50°C gegenüber der
Referenztemperatur zu erkennen, muss der spektrale Versatz zwischen Faser-Bragg-Gitter 2 und den Auswertemitteln etwa 0,05% betragen, beispielsweise 0,5 nm bei einer Wellenlänge von 1 μηπ. Mit einem polymeroptischen Lichtleiter (polymer optical fibre POF) ist die Wellenlängenänderung gegebenenfalls größer (bis zu ca. 20 nm / 50°C) und einfacher zu messen. Allerdings muss hier die
Abhängigkeit der Reflexionswellenlänge von Feuchte berücksichtigt beziehungsweise ausgeschlossen werden.
Für die Funktion einer Vorrichtung auf Basis eines Lichtleiters mit Faser-Bragg-Gitter sind folgende Punkte wichtig:
Alle Faser-Bragg-Gitter müssen bei gleicher Temperatur
beziehungsweise Dehnung möglichst genau die gleiche
Reflexionswellenlänge aufweisen. Dies ist durch ein spezielles
Herstellungsverfahren des Lichtleiters zu gewährleisten, bei dem Temperatur und Dehnung der Faser beim Einbringen (Schreiben) der Faser-Bragg-Gitter präzise kontrolliert werden. Auch andere,
eventuell für die Gitterperiode wichtige Prozessparameter
(Wellenlänge des schreibenden Lasers, Interferometerwinkel,
Vortriebsgeschwindigkeit und ähnlich) sind präzise zu kontrollieren. Die Faser-Bragg-Gitter können kontinuierlich oder in kleinen
Abständen (beispielsweise 1 cm) in den Lichtleiter eingebracht werden.
Als Verfahren für das kontinuierliche Einbringen von Faser-Bragg- Gittern eignet sich vorzugsweise ein Kurzpuls-Laser (beispielsweise ein Femtosekunden-Laser), der mit konstanter Wiederholrate Pulse auf den mit konstanter Geschwindigkeit geführten Lichtleiter
einstrahlt. Bei entsprechender Fokussierung ändert der Laser die optischen Eigenschaften (Brechungsindex) des Lichtleiters im Kern periodisch und erzeugt somit ein Gitter. Vorteile sind, dass das Faser- Bragg-Gitter kontinuierlich geschrieben werden kann, dass durch den Mantel des Lichtleiters hindurchgeschrieben werden kann und dass die für eine konstante Gitterperiode entscheidenden Parameter (Temperatur, Dehnung, Lichtleiter-Vortriebsgeschwindigkeit und Wiederholrate des Lasers) sehr genau kontrolliert werden können.
Alternativ lässt sich eine hohe Zahl von Faser-Bragg-Gittern mit gleicher Gitterperiode beziehungsweise Reflexionswellenlänge beim Ziehen des Lichtleiters vor dem Aufbringen des Mantels mit einem UV-Pulslaser in einer Interferenz-Anordnung oder mit einem
Mastergitter (Phasengitter) schreiben. Der UV-Laser nutzt
photorefraktive Effekte im Faserkern, die bei der Bestrahlung mit den hochenergetischen UV-Photonen im gegebenenfalls speziell
zusammengesetzten Material auftreten. Mit jedem Laserpuls wird ein Faser-Bragg-Gitter geschrieben, dessen Periode durch den
Interferenz-Aufbau oder den Master bestimmt wird. Auch hier sind Prozessparameter wie Temperatur und Dehnung sehr genau zu kontrollieren, um Faser-Bragg-Gitter mit möglichst gleicher
Reflektionswellenlänge bei gleicher Temperatur und Dehnung zu erhalten.
Für Temperaturmessungen sollte der Lichtleiter mechanisch von der Umgebung derart entkoppelt werden, dass Dehnungen nicht
übertragen werden. Dies geschieht vorzugsweise durch loses
Einbringen des Lichtleiters 1 in ein Röhrchen 9 (siehe Fig. 1), das beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm bis 5 mm aufweisen kann. Dabei ist eine gewisse Überlänge des Lichtleiters 1 gegenüber dem Röhrchen 9 sinnvoll, um spannungsfreie thermische
Ausdehnungen zu ermöglichen. Das Röhrchen 9 besteht insbesondere aus Kunststoff.
Das Röhrchen 9 bietet gleichzeitig einen mechanischen Schutz für den Lichtleiter 1. Ein den Lichtleiter 1 und das Röhrchen 9 umfassendes Sensorkabel 10 (siehe Fig. 7) kann weitere Komponenten zum Schutz des Lichtleiters 1 enthalten, die diesen beispielsweise gegen Zug, Druck, chemische und biologische
Einflüsse schützen. Gegebenenfalls kann bei Verwendung von POF auf die mechanische Entkopplung verzichtet werden, weil hier der Temperatureffekt größer als der mechanische Effekt sein kann. Für Dehnungsmessungen ist der Lichtleiter 1 nicht zu entkoppeln, sondern mechanisch gut an den zu messenden Gegenstand anzukoppeln, um eine entsprechende Übertragung der Dehnung zu ermöglichen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine oder mehrere fasergekoppelte Lichtquelle(n) 3 und eine Nachweisvorrichtung, die ebenfalls an den Lichtleiter 1 angeschlossen ist. Beispielsweise umfasst die Vorrichtung gemäß Fig. 3 drei Lichtquellen 3. Die mindestens eine Lichtquelle 3 kann schmal- (Bandbreite etwa < 1 nm) oder breitbandig (> 1 nm) sein.
Je nach Bandbreite der Lichtquelle 3 kann die Vorrichtung Filtermittel 11 zum Herausfiltern der zu messenden Wellenlängen enthalten (siehe beispielsweise die Ausführungsform gemäß Fig.2). Die
Filterelemente 11 können sich im Lichtweg vor oder nach dem
Sensorkabel befinden. Die Vorrichtung umfasst ein oder mehrere Empfänger 6 für den Nachweis, die auch als Filtermittel wirken können. Es besteht die Möglichkeit, dass Schalt- oder
Modulationstechniken benutzt werden, um Nutzsignale von
Störsignalen zu trennen.
Die Auswerteelektronik 7 verstärkt und misst die empfangenen
Signale, bewertet sie hinsichtlich vorgegebener Kriterien und löst entsprechende Ausgangssignale aus. Die mit einem Lichtleiter mit Faser-Bragg-Gitter versehenen
Vorrichtungen können mit einfachen und kostengünstigen
Auswertemitteln auskommen, setzen aber den Einsatz des speziell präparierten Lichtleiters mit den Faser-Bragg-Gittern voraus. Die Technik könnte somit vorteilhaft sein, wenn die Zahl der Messpunkte beziehungsweise die Länge des Sensorkabels 10 soweit beschränkt sind, dass der Preis des Lichtleiters nicht zu hoch wird.
Die in Fig.4 und Fig. 5 abgebildeten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nutzt die Brillouin-Streuung in einem oder mehreren Lichtleitern 12. Dieser mindestens eine Lichtleiter 12 weist kein Faser-Bragg-Gitter auf. Vielmehr kann er als Standard- Lichtleiter, beispielsweise als Single-Mode-Faser ähnlich denen aus der Telekommunikation ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 wird die spontane Brillouin- Streuung gemessen. Die Lichtquelle 3 kann als schmalbandiger Laser (Bandbreite beispielsweise 10 MHz oder kleiner) ausgebildet sein. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der Laser mit einem Temperaturbeziehungsweise Stromregler 13 verbunden. Der Empfänger 6 ist mit einem vorgesetzten schmalbandigen Filter 11 versehen. Der
beispielsweise als Fabry-Perot ausgebildete Filter sollte einen spektralen Versatz gegenüber der Laserwellenlänge aufweisen, der der Brillouin-Verschiebung bei der zu messenden Temperatur entspricht. Dann lässt sich das Erreichen der Temperatur durch ein entsprechendes Messsignal nachweisen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird die stimulierten Brillouin- Streuung gemessen. Für die Nutzung der stimulierten Brillouin- Streuung verwendet die Ausführungsform gemäß Fig. 5 zwei als schmalbandige Laser ausgebildete Lichtquellen 3, 14, die
schmalbandige Lasersignale (Anregungs- und Abfragelaser) mit einer um die zu messende Brillouin-Verschiebung unterschiedlichen
Wellenlänge aussenden. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der erste Laser mit einem ersten Temperatur- beziehungsweise
Stromregler 13 verbunden. Weiterhin ist der zweite Laser mit einem zweiten Temperatur- beziehungsweise Stromregler 15 verbunden.
Die von den beiden Lichtquellen 3, 14 ausgehenden Lasersignale werden von entgegengesetzten Enden in den Lichtleiter 12
eingekoppelt. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass der
Lichtleiter 12 auf der in Fig. 5 rechten Seite um 180° gebogen ist und durch das Röhrchen 9 zurückläuft.
An das Ende mit dem Abfragelasersignal werden Auswertemittel mit einem schmalbandigen Filter 11, einem Empfänger 6 und einer
Auswerteelektronik 8 angekoppelt. Stimmt nun an einem oder mehreren Orten innerhalb des Lichtleiters 12 die Brillouin-Frequenz aufgrund der Temperatur des Ortes mit dem Wellenlängenunterschied der beiden Lasersignale überein, wird ein „reflektiertes" Signal des Abfragelasers gemessen.
Der Wellenlängenunterschied zwischen den beiden Lasersignalen sollte sehr genau kontrolliert werden. Das geschieht beispielsweise durch die Kopplung zweier Laser über eine optische
Phasenregelschleife (Phase locked loop) 16, die den Strom oder die Temperatur der Laser regelt (siehe dazu Fig. 5).
Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung zweier Lasersignale mit genau kontrolliertem Wellenlängenunterschied ist, einen einzelnen Laser zu verwenden und durch Modulation der Laserstrahlung (beispielsweise mit einem elektro-optischen Modulator) mit einigen GHz das zweite Signal zu erzeugen. Zur Unterscheidung des Nutzsignals von
Störsignalen können Modulationsverfahren (beispielsweise vermittels Lock-in-Technik) eingesetzt werden. Beispielsweise kann der
Abtastlaser mit einer bestimmten Frequenz moduliert werden und das Signal schmalbandig bei derselben Frequenz gemessen werden.
Gegebenenfalls sind polarisationswirksame Komponenten
vorzusehen.
Es besteht optional die Möglichkeit, bei dem Aufbau gemäß Fig. 5 mindestens ein polarisationswirksames oder phasenwirksames
Element 26 vorzusehen, das in Fig. 5 gestrichelt angedeutet ist.
Insbesondere für die optimale Wechselwirkung der beiden
Lasersignale ist eine passende Polarisation erforderlich.
Das Brillouin-Verfahren ist insbesondere für größere
Temperaturunterschiede, wie beispielsweise ab 20°C, geeignet, weil der Brillouin-Peak recht breit ist und somit auch Orte mit einer leicht abweichenden Temperatur zum Signal beitragen. Es besteht die Möglichkeit, die Auflösung dadurch zu verbessern, dass mehrere Brillouin-Verschiebungsfrequenzen gemessen werden und eine
Peakanalyse der Amplitudenkurve über der Frequenz durchgeführt wird.
Aus Fig. 6 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ersichtlich, die einen interferometrischen Aufbau umfasst, wobei der mindestens eine Lichtleiter 12 Teil dieses
interferometrischen Aufbaus ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Lichtleiter 12 auf der in Fig. 6 rechten Seite um 180° gebogen und verläuft durch das Röhrchen 9 zurück.
Eine Temperaturänderung des Lichtleiters 12 bewirkt eine Änderung der optischen Länge des Lichtleiters 12 durch mechanische
Längenänderung und/oder Änderung des Brechungsindex
beziehungsweise der Gruppengeschwindigkeit. Solch eine Längenänderung kann mit einem interferometrischen Aufbau sehr empfindlich nachwiesen werden. Die optische Längenänderung wird allerdings integral über den gesamten Lichtleiter 12 gemessen. Daher ist eine gute mechanische Entkopplung des Lichtleiters, insbesondere von dem Röhrchen 9 erforderlich.
Außerdem ist es erforderlich, den gesuchten Effekt der starken lokalen Erwärmung von anderen Temperaturvariationen zu trennen. Dies ist über das zeitliche Verhalten möglich. Bei der in Frage stehenden Anwendung wird ein metallischer Gegenstand sehr rasch und stark erwärmt. Wenn der Anstieg der optischen Längenänderung relativ zur Zeit betrachtet wird, kann das zu detektierende Ereignis durch die unterschiedlichen Anstiege vor und während des Fließens des Induktionsstroms, erkannt werden. Es besteht die Möglichkeit, dass unter Umständen auch nach dem Fließen des Induktionsstroms auf das zu detektierende Ereignis geschlossen werden kann.
Der in Fig. 6 abgebildete Aufbau umfasst eine Lichtquelle 3 mit ausreichender Kohärenzlänge, wie insbesondere einen Laser, entsprechende Strahlteiler und Strahlkombinierer, die zu messende Schleife des Lichtleiters 12, die insbesondere mechanisch entkoppelt ist, sowie den Empfänger 6 und die Auswerteelektronik 7. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, polarisationswirksame Komponenten vorzusehen.
Bei der interferometrischen Messung ergibt sich je nach Phasenlage der beiden Lichtsignale eine konstruktive oder destruktive
Überlagerung. Es können also Änderungen der optischen Weglänge von Bruchteilen der Wellenlänge an Phasenänderungen und somit Änderungen der Signalintensität erkannt werden. Größere
Änderungen der optischen Weglänge (mehrfache Wellenlänge des Lichts) können am mehrfachen Durchlaufen von Signalmaxima und - minima erkannt werden.
Neben Glasfasern können wegen ihrer stärkeren thermischen
Dehnung auch polymeroptische Fasern für die interferometrische Messung von Vorteil sein.
Es besteht die Möglichkeit, bei der interferometrischen Messung auf die mechanische Entkopplung, insbesondere auf das Röhrchen 9, zu verzichten. Dann wird zwar nicht nur die thermische Ausdehnung (und die Brechungsindexänderung) des Lichtleiters 12, sondern auch eine Ausdehnung der Matrix gemessen. Diese kann aber auch auf einen thermischen Effekt zurückzuführen sein und somit zur Detektion des gewünschten Ereignisses beitragen.
Es besteht optional die Möglichkeit, auch bei dem Aufbau gemäß Fig. 6 mindestens ein polarisationswirksames oder phasenwirksames Element 26 vorzusehen, das in Fig. 6 gestrichelt angedeutet ist.
Insbesondere für die optimale Wechselwirkung der beiden
Lichtsignale ist eine passende Polarisation erforderlich. Weiterhin kann mit der Änderung der Phase der Arbeitspunkt in der
Interferometrie gemäß Fig. 6 eingestellt werden.
Für Temperaturmessungen mit sämtlichen der Aufbauten gemäß den Fig. 1 bis Fig. 6 sollte das mit dem Lichtleiter 1, 12 versehene
Sensorkabel 10 in thermischem Kontakt mit dem zu messenden
Gegenstand stehen. Dies kann durch Einbringen des Sensorkabels 10 in den Gegenstand (beispielsweise durch Einbau, Einbetonnieren oder Vergießen) oder durch äußere Anbindung beziehungsweise räumlich benachbarte Platzierung erfolgen. Die induktive Ladevorrichtungen gemäß den Fig. 7 bis Fig. 9
umfassen jeweils eine Primärspule 17, die in eine Fahrbahn 18 eingebaut ist. Weiterhin ist eine Sekundärspule 19 vorgesehen, die in ein Fahrzeug 20 eingebaut ist.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen schematisch eine Ladevorrichtung, bei der das Sensorkabel 10 in die Fahrbahn 18 eingebaut ist. Die Primärspule 17 ist mit einer Stromversorgung 21 und einer Steuerung 22
verbunden. Das Sensorkabel 10 ist mit einem Messgerät 23
verbunden, das die im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis Fig. 6 beschriebenen Komponenten wie mindestens eine Lichtquelle 3, 14 und Auswertemittel umfasst.
Das Sensorkabel 10 befindet sich nahe an der oberen Oberfläche der Fahrbahn 18, um eine ausreichende thermische Kopplung an die zu messenden Gegenstände zu erreichen. Dabei erfolgt die
Wärmeübertragung durch direkten Kontakt mit der Oberfläche der Fahrbahn.
In der Fahrbahn 18 könnte das Sensorkabel 10 in Schlitze im
Fahrbahnbelag (Beton, Asphalt) eingelegt und dann fixiert werden, beispielsweise durch Vergießen. Das Sensorkabel 10 kann aber auch in eine Kunststoffabdeckung einer als Primärspule 17 dienenden Induktionsspule eingebaut werden. Beispielsweise könnte das
Sensorkabel bei der Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit in die Matrix eingebaut und beim Einbringen der zweiten (flüssigen, aushärtenden) Komponente im Material fixiert werden.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Ladevorrichtung, bei der das
Sensorkabel 10 in das Fahrzeug 20 eingebaut ist. Das Sensorkabel 10 befindet sich auch bei dieser Ausführungsform nahe an der unteren Oberfläche, um eine ausreichende thermische Kopplung an die zu messenden Gegenstände zu erreichen. Dabei wird die Wärme durch aufsteigende warme Luft auf das nahe der Unterseite des
Fahrzeugs angeordnete Sensorkabel 10 übertragen.
Zur Erfassung von Temperaturereignissen auf Oberflächen ist das Sensorkabel 10 so zu verlegen, dass die gesamte Fläche abgedeckt wird. Hierfür eignen sich beispielsweise mäander-, ring- oder
spiralförmige Verlegungen. Die Fig. 10 a bis Fig. 10 e zeigen
verschiedene Beispiele derartiger Verlegungen.
Bei der interferometrischen Messung kann es sinnvoll sein, mehrere Schleifen 24 in die Oberfläche zu legen und einzeln zu messen, um eine Lokalisierung zu ermöglichen oder um Untergrundeffekte wie beispielsweise die Erwärmung der Matrix beim Ladebetrieb zu erfassen beziehungsweise zu kompensieren (siehe Fig. 10 e).
Neben der vorstehend genannten Verwendung der Vorrichtung zur Detektion metallischer Gegenstände bestehen weitere
Applikationsfelder, bei denen Temperaturinformationen nicht
zwingend ortsaufgelöst vorliegen müssen. Zu diesen
Applikationsfeldern gehören zum Beispiel
- die lineare Wärmemeldung und Branddetektion in Gebäuden
(zum Beispiel in Flugzeughallen, Hochregallagern, Tierställen, Kühltürmen, Kühllagern, Server-Räumen) sowie in Straßen- oder Bahntunneln,
- die lineare Wärmemeldung in industriellen Anlagen und
industriellen Prozessen, insbesondere Kabeltrassen,
Förderanlagen und Förderbändern, Stromverteileranlagen, Filteranlagen, Schwimmdachtanks, Anlagen der
Materialflusstechnik, Lackieranlagen, Flüssiggastanks, Kompostierungsanlagen, Biogasanlagen, Windkraftanlagen (hier zum Beispiel zur Temperaturüberwachung der
Getriebeöltemperatur um ein Gefrieren zu vermeiden, zur
Messung der Temperatur der Generatorwicklungen und zur Messung der Leitertemperaturen), bei Aushärtprozessen von Verbundwerkstoffen, bei der Überwachung von Öfen, bei der Überwachung thermischer Prozesse in der Industrie, bei der Lecküberwachung,
- thermische Überwachung von Betriebskomponenten, wie zum Beispiel Motoren, Generatoren und Transformatoren (hier zum Beispiel die Temperaturüberwachung der Wicklungen und des Transformatorkerns, Abschaltung beziehungsweise Trennung der Wicklungen bei der Überschreitung einer Maximaltemperatur sowie die Steuerung von zur Leistungssteigerung eingesetzten Ventilatorsystemen in Abhängigkeit von den gemessenen
Maximaltemperaturen), Akkumulatoren in der Fahrzeug- und Flugzeugtechnik (hier insbesondere bei der Nutzung von
Lithium-Akkumulatoren in Flugzeugen und Elektrofahrzeugen und zur Erfassung einer möglichen Explosions- und Brandgefahr bei Überhitzung, die zum Beispiel durch eine Überlast oder durch einen Defekt innerhalb des Akkumulators hervorgerufen wird),
- Temperaturüberwachung im Humanbereich, wie zum Beispiel bei einer Verwendung der Vorrichtung in einer Sensordecke für die Patientenbehandlung und Diagnose, bei der
Patientenüberwachung während der Behandlung und Diagnose (zum Beispiel bei Wärmebestrahlung, MRT, CT),
- Kleidung, insbesondere die Messung und Überwachung der
Körpertemperatur (zum Beispiel durch Sensoreinbringung in Sportbekleidung, Schlafbekleidung oder sonstige Bekleidung), Anschluss einer portablen, miniaturisierten Auswerteeinheit mit Speichermitteln zur Datenaufzeichnung und einer Schnittstelle zum Auslesen der Daten.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Detektion thermischer
Grenzwertüberschreitungen und/oder thermischer
Grenzwertunterschrei tun gen und/oder
Temperaturänderungsraten, insbesondere für eine Verwendung zur Detektion metallischer Gegenstände im Bereich einer induktiven Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge, umfassend mindestens eine Lichtquelle (3, 13), mindestens einen Lichtleiter (1, 12), in den von der mindestens einen Lichtquelle (3, 13) ausgehendes Licht eingekoppelt werden kann,
Auswertemittel zur Auswertung des aus dem mindestens einen Lichtleiter (1, 12) ausgekoppelten Lichts, wobei die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Auswertemittel zwar das Vorhandensein einer lokalen thermischen Grenzwertüberschreitung und/oder thermischen
Grenzwertuntersch reitung und/oder
Temperaturänderungsrate des mindestens einen Lichtleiters (1, 12), nicht jedoch deren Position bestimmen oder bestimmen können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtleiter (1) eine Mehrzahl von Faser- Bragg-Gittern (2) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern (2) jeweils die gleiche
Reflexionswellenlänge aufweisen oder dass die Mehrzahl von Faser-Bragg-Gittern (2) Reflexionswellenlängen aufweisen, die sich um weniger als 1,0 nm, vorzugsweise um weniger als 0,5 nm, insbesondere um weniger als 0,1 nm voneinander
unterscheiden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so gestaltet ist, dass von dem durch die Faser-Bragg-Gitter (2) reflektierten Licht nur Anteile mit einem vorgegebenen Wellenlängenversatz
gegenüber der Reflexionswellenlänge der Faser-Bragg-Gitter (2) erfasst oder verarbeitet werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Auswertemittel durch spontane oder stimulierte Brillouin-Streuung in dem mindestens einen Lichtleiter (12) erzeugtes Licht zur Messung einer
Temperatur auswerten können.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lichtquelle (3, 13) Licht mit einer ersten
Wellenlänge aussenden kann und dass die Auswertemittel einen spektralen Filter aufweisen, der Licht mit einer zweiten
Wellenlänge durchlässt, wobei die Differenz der ersten
Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge der Brillouin- Verschiebung bei der zu messenden Temperatur entspricht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung entweder zwei als Laser ausgebildete Lichtquellen (3, 13) umfasst, die ein erstes Lasersignal mit einer ersten Wellenlänge und ein zweites Lasersignal mit einer zweiten Wellenlänge aussenden können, oder dass die mindestens eine Lichtquelle (3, 13) so ausgebildet ist, dass sie ein erstes
Lasersignal mit einer ersten Wellenlänge und ein zweites Lasersignal mit einer zweiten Wellenlänge aussenden kann, wobei die Differenz der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge der Brillouin-Verschiebung bei der zu messenden Temperatur entspricht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen interferometrischen Aufbau umfasst, wobei der mindestens eine Lichtleiter (12) Teil dieses
interferometrischen Aufbaus ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Röhrchen (9) umfasst, das den mindestens einen Lichtleiter (1, 12) derart umgibt, dass er sich bei thermischen Ausdehnungen relativ zu dem Röhrchen (9) bewegen kann.
10. Induktive Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Induktive Ladevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung eine Platte oder eine Bodenabschnitt umfasst, in dem der mindestens eine Lichtleiter (1, 12) angeordnet ist. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur
- linearen Wärmemeldung und Branddetektion in Gebäuden sowie in Straßen- oder Bahntunneln, oder
- linearen Wärmemeldung in industriellen Anlagen und
industriellen Prozessen, oder
- thermischen Überwachung von Betriebskomponenten, oder
- Temperaturüberwachung im Humanbereich, oder - Herstellung von Kleidungsstücken, insbesondere zur Messung und Überwachung der Körpertemperatur eines Menschen.
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