WO2019180161A1 - Temperatursensor - Google Patents

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WO2019180161A1
WO2019180161A1 PCT/EP2019/057121 EP2019057121W WO2019180161A1 WO 2019180161 A1 WO2019180161 A1 WO 2019180161A1 EP 2019057121 W EP2019057121 W EP 2019057121W WO 2019180161 A1 WO2019180161 A1 WO 2019180161A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical waveguide
temperature sensor
capillary
sheath
emperatursensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/057121
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias MÖLLER
Sascha KIENITZ
Original Assignee
fos4X GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by fos4X GmbH filed Critical fos4X GmbH
Publication of WO2019180161A1 publication Critical patent/WO2019180161A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering

Definitions

  • the disclosure relates to a T emperatursensor comprising an optical waveguide of an optical waveguide material having at least one integrated T emperatursensorelement.
  • the temperature sensor element is usually an interferometric element, for example a fiber Bragg grating.
  • a fiber Bragg grating applied to light reflects a certain wavelength of light at a Bragg reflection wavelength.
  • the Bragg reflection wavelength depends on the strain or compression of the optical waveguide in the region of the fiber Bragg grating.
  • the fiber Bragg grating is used as the temperature sensor element, it is desirable that the strain or compression be caused only by thermal expansion of the optical fiber in the region of the fiber Bragg grating.
  • T emperatursensoren use the photelastic effect.
  • metal materials - for example aluminum - are introduced as substrate in this type of temperature sensor, which reinforce an expansion or compression.
  • thermo-optical effect for measurement There are also metal-free T emperatursensoren that exploit exclusively the thermo-optical effect for measurement. Such temperature sensors have a comparatively poor sensitivity or a poor resolution.
  • a temperature sensor comprises an optical waveguide made of a light waveguide material.
  • the optical waveguide comprises at least one integrated temperature sensor element.
  • the temperature sensor further comprises a cladding of a non-metallic cladding material.
  • the cladding is radially spaced from the optical waveguide and surrounds the temperature sensor of the optical waveguide.
  • the temperature sensor also includes a capillary made of a non-metallic capillary material. The capillary is radially spaced from the sheath and surrounds the sheath at least partially.
  • the optical waveguide is fixed to an inlet end of the enclosure at this.
  • the optical waveguide is also fixed to an outlet end of the enclosure at this.
  • the optical waveguide is also fixed to an inlet end of the capillary at this.
  • the cladding material has a coefficient of thermal expansion that is greater than the thermal expansion coefficient of the optical waveguide material.
  • An optical waveguide material comprises, for example, a fiber material made of glass or plastic.
  • the optical waveguide typically comprises a core and a cladding, wherein the optical waveguide material of the core and the optical waveguide material of the cladding have different optical properties.
  • the integrated temperature sensor element typically includes, but is not limited to, a fiber Bragg grating.
  • the integrated temperature sensor element can for example also have a backscatter element for a fiber optic backscatter measurement method.
  • Fixation generally refers to a compound between the constituents involved which is capable of transferring forces occurring at the one constituent to the other constituent.
  • a fixation here comprises, in particular, a fixed connection between the components involved for transmitting forces which act in the axial direction of the arrangement of the components of the temperature sensor.
  • An existing cladding of the optical waveguide which is relevant to the waveguiding properties of the optical waveguide, is not equivalent to the cladding of the temperature sensor, as used herein.
  • the sheath is provided in addition to an existing sheath of the optical fiber.
  • the sheath serves to apply a strain rate to the integrated temperature sensor.
  • the fixation of the optical waveguide both at the inlet end of the envelope, as well as at the outlet end of the envelope is generally used to a Dehnungsanteil or compression fraction, the of due to thermal expansion or compression, applied to the integrated temperature sensor.
  • the cladding is substantially tubular in shape, and the optical waveguide passes approximately linearly through the cladding in its axial direction.
  • the tubular formation of the envelope has in particular a cylindrical shape.
  • the optical waveguide is also introduced into the capillary and fixed at the inlet end.
  • the capillary serves for the decoupling of external, non-thermal influences.
  • the optical fiber generally does not exit the capillary at another end.
  • the capillary is sealed on all sides, and the fixation of the optical waveguide at the inlet end of the capillary is a sealing fixation.
  • the capillary is substantially tubular.
  • the tubular formation of the capillary has in particular a cylindrical shape.
  • the optical waveguide is introduced into the capillary in such a way and fixed at the inlet end of the capillary that the region of the optical waveguide comprising the at least one integrated temperature sensor element surrounded by the cladding is completely inside the capillary and typically - With the only fixation area at the inlet end of the capillary - otherwise it is freely movable in the capillary.
  • the cladding material is selected such that its coefficient of thermal expansion is greater than the coefficient of thermal expansion of the optical waveguide material, such that the temperature sensitivity of the integrated thermistor
  • T emperature sensor element is measurably increased. For example, that can
  • Envelope material should be selected so that the temperature sensitivity of the integrated temperature sensor element is increased by a factor greater than or equal to 2 compared to a comparable conventional temperature sensor element that exclusively uses the thermo-optic effect for temperature measurement.
  • a temperature sensor described herein may have a sensitivity or resolution at least as great as that of an electrically-operated temperature sensor.
  • the temperature sensor described herein is metal-free and can be used in applications in which freedom from metal is desirable or essential, for example, when incorporation of an electrically conductive material can adversely affect operation or measurement operations.
  • the envelope has a spring constant which, at least in the region of the fixings between the envelope and the optical waveguide, is greater than the spring constant of the Lichtwel 1 enleiters.
  • the spring constant depends on the material-related modulus of elasticity and the wall thickness of the respective component.
  • the spring constant of a component can be increased, for example, by selecting a material with a greater modulus of elasticity and / or increasing the wall thickness of the component. Such a ratio of the spring constants can contribute to further improving the sensitivity or resolution.
  • the wrapping material comprises a ceramic material containing zirconia (zirconia).
  • the ceramic material is in
  • the wrapping material is substantially completely formed of the ceramic material.
  • a cladding containing the ceramic material may be very small, d. H. with a small extension and only a small radial distance from the T emperatursensorelement be formed.
  • a coating having the ceramic material is very stable and mechanically resistant and can be processed comparatively easily.
  • the wrapping material has a
  • Plastic material containing polyimide is substantially entirely polyimide.
  • the wrapping material is substantially completely formed of the plastic material.
  • Polyimide has a comparatively high coefficient of expansion and can especially contribute to increasing the sensitivity or the resolution of the temperature sensor.
  • Polyimide is substantially free of plasticizers, which ensures good crosslinking with an epoxy material, for example in the region of the inlet end or the outlet end of the coating. Flier notebook can result in an age-resistant and / or resilient connection. Polyimide can also help prevent drifting of the values.
  • the capillary material comprises a resinous material containing epoxide.
  • the capillary material consists essentially entirely of epoxide.
  • the capillary material is substantially completely formed of the resin material.
  • the optical fiber has a plurality of integrated T emperatursensor instituten.
  • the individual temperature sensor elements are different from each other Spaced in the direction of an axis of the optical waveguide, for example, along the axis in uniform or uneven intervals lined up.
  • Each of the temperature sensor elements has its own enclosure.
  • the individual sheaths do not merge into one another, but are spaced from one another along the direction of the axis of the optical waveguide.
  • Each temperature sensor element is housed in its associated enclosure, and the optical waveguide is accordingly respectively fixed at the entrance end of the enclosure and at the exit end of the enclosure such that the respective associated temperature sensor element detects a strain effect amplified by the enclosure upon temperature change.
  • the individual temperature sensor elements are each spaced apart by more than 3 cm or more than 5 cm or more than 10 cm.
  • the distance between the individual temperature sensor elements, ie the spatial density of temperature sensor elements in the optical waveguide, need not be uniform. It can be provided, for example, to adapt the spatial density of the temperature sensor elements to an expected temperature distribution in a measuring object, at or in which the temperature sensor is arranged or mounted.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional side view of a T emperatursensors according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional side view of a temperature sensor according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic measurement setup for carrying out a
  • Embodiments described herein relate to u. a. a T emperatursensor, which is generally designated 100 and in one embodiment in the cross-sectional side view of Fig. 1 and in a further embodiment in the cross-sectional side view of Fig. 2 is shown.
  • a temperature sensor similar to that shown in FIG. 2 is used in the illustration; however, this is only illustrative in FIG. 3 and is not intended to be limiting.
  • the temperature sensor 100 comprises a spruce waveguide 10, which is inserted at an axial entry end El into a capillary 30.
  • the Fichtwellenleiter 10 includes in the embodiment shown by way of example a T emperatursensorelement 11, which is designed as a fiber Bragg grating.
  • the fiber Bragg grating for example, is inscribed in the spruce waveguide 10 by means of a fiber.
  • the temperature sensor elements described herein are not limited to fiber Bragg gratings, although the following exemplary description of the embodiment is based on fiber Bragg gratings.
  • the capillary 30 is in the embodiment of a glass capillary, but it can also be made of other suitable metal-free materials such. B. plastic be formed.
  • the Fichtwellenleiter 10 is fixed to the inlet end El with a fixing element 41 on the capillary 30.
  • the fixing element 41 is formed for example of an adhesive or a resin and is connected to the Fichtwellenleiter 10 that acting at least in the direction of the axis A on the Fichtwellenleiter 10 forces (axial forces) are absorbed by the capillary 30 at the inlet end El.
  • the fixing member may also seal the entrance end El.
  • a connecting element 42 is provided, which seals the axial end E2.
  • the connecting element 42 is in turn formed, for example, from an adhesive or a resin.
  • the Fichtwellenleiter 10 is not led out of the axial end E2 of the capillary 30, so that the area of the Fichtwellenleiters 10 with the T emperatursensorelement 11 is arranged freely suspended in the capillary 30. This area is characterized by the capillary 30 of non-thermal influences decoupled and protected by the capillary 30.
  • the T emperatursensorelement 11 is surrounded by a sheath 20.
  • the temperature sensor element 11 is radially spaced from the cylindrical tube 20 in the exemplary embodiment according to FIG.
  • the optical waveguide 10 enters the cladding 20 at an entrance end E3 and exits the cladding at an exit end E4.
  • the entrance end E3 of the envelope 20 is fixed to the optical waveguide 10 with a fixing member 21;
  • the exit end E4 of the envelope 20 is fixed to the optical waveguide 10 with a fixing element 22.
  • the fixing elements are in turn each formed, for example, from an adhesive or a resin.
  • the sheath 20 is formed of a non-metal material whose thermal expansion coefficient is larger than the thermal expansion coefficient of the material of the optical waveguide 10.
  • the sheath 20 is formed of a ceramic material containing zirconia or formed substantially entirely of zirconia ,
  • the sheath 20 is formed of a plastic material containing polyimide or formed substantially entirely of polyimide.
  • the spring constant of the envelope at least in the region of the inlet end E3 and outlet end E4 is greater than the local spring constant of the optical waveguide 10.
  • Temperature sensor element 11 is amplified by enclosure 20 so that temperature sensor 100 exhibits high sensitivity or resolution.
  • the structure is also metal-free, resulting in a wide range of applications.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional side view of a temperature sensor 100 according to a further embodiment. The above with reference to FIG. 1 made
  • a further temperature sensor element 11 is provided in FIG. 2, which is arranged along the axis A at a distance from the temperature sensor element 11 and has its own envelope 20. Both temperature sensor elements 11 are arranged in the same capillary 30. Several temperature sensor elements 11 in a single optical waveguide 10 may allow a measurement of the respective temperature or temperature change at different spatial positions. If the temperature sensor 100 from FIG. 2 is arranged or mounted on or in a measurement object, the respective temperatures can be measured at different locations in or on the measurement object. With an associated measurement, several measurement signals can be determined.
  • An assignment of the individual measurement signals to the locations in or on the measurement object takes place, for example, via the known and / or previously determined various characteristics of the temperature sensor elements 11.
  • the assignment takes place, for example, via the respective characteristic wavelength; Accordingly, the assignment takes place in backscatter elements for a fiber optic backscatter measurement method on the respective characteristic scatter pattern.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic measurement setup for performing a temperature measurement with the temperature sensor 100 of FIG. 1 or FIG. 2.
  • the temperature sensor 100 is arranged on or in a measurement object 200 whose temperature or location-related temperatures are to be determined.
  • the led out of the measuring object 200 optical waveguide 100 is optically connected to a beam splitter 110.
  • the optical waveguide 10 can be acted upon by preferably broadband measuring light from a measuring light source 120, which is guided to the T emperatursensor instituten 11 of the optical waveguide and is reflected there wavelength-dependent. Returning measuring light can be detected after passing through the beam splitter 110 with an optionally wavelength-sensitive photosensor 130.
  • a measuring operation controller 140 controls the measuring light source 120 and the photosensor 130 accordingly and evaluates the signals from the photosensor 130. In a temperature change, the temperature sensor elements 11 in FIG.
  • thermo-optic effect also has an effect on the behavior of the temperature sensor elements 11.
  • the thermo-optic effect may have a greater influence on the behavior of the temperature sensor elements 11 than an expansion or compression, for example a ten times greater effect.
  • a Bragg reflection wavelength of the temperature sensor elements 11 designed as fiber Bragg gratings is a measure of the temperature change DT: The constant k is dependent on the material of the optical waveguide.
  • the characteristic wavelengths of the T emp ER sensor sensor elements 11 formed in the Ausfittsform as a fiber Bragg grating differ from each other. This makes it possible to distinguish the measurement signals of the individual temperature sensor elements 11 from each other.

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Abstract

Es wird Temperatursensor (100) angegeben. Der Temperatursensor (100) umfasst einen Lichtwellenleiter (10) aus einem Lichtwellenleitermaterial mit mindestens einem integrierten Temperatursensorelement (11); eine vom Lichtwellenleiter (10) radial beabstandete und das Temperatursensorelement (11) des Lichtwellenleiters (10) umgebende Umhüllung (20) aus einem nicht-metallischen Umhüllungsmaterial; und eine von der Umhüllung (20) radial beabstandete und die Umhüllung (20) zumindest bereichsweise umgebende Kapillare (30) aus einem nicht-metallischen Kapillarmaterial. Der Lichtwellenleiter (10) ist an einem Eintrittsende (E3) der Umhüllung (20) an der Umhüllung (20) fixiert. Der Lichtwellenleiter (10) ist an einem Austrittsende (E4) der Umhüllung (20) an der Umhüllung (20) fixiert. Der Lichtwellenleiter (10) ist an einem Eintrittsende (El) der Kapillare (30) an der Kapillare (30) fixiert. Das Umhüllungsmaterial weist einen thermischen Ausdehnungsko effizienten auf, der größer ist als der thermische Ausdehnungsko effizient des Lichtwellenleitermaterials.

Description

TEMPERATURSENSOR
TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Offenbarung betrifft einen T emperatursensor, der einen Lichtwellenleiter aus einem Lichtwellenleitermaterial mit mindestens einem integrierten T emperatursensorelement umfasst.
STAND DER TECHNIK
[0002] Es sind herkömmliche Lichtwellenleiter mit einem integrierten T emperatursensorelement bekannt. Das T emperatursensorelement ist üblicherweise ein interferometrisches Element, beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter. Bei einer reflektorischen Messung reflektiert ein mit Licht beaufschlagtes Faser-Bragg-Gitter eine bestimmte Lichtwellenlänge bei einer Bragg-Refl exionswellenlänge . Die Bragg-Reflexionswellenlänge hängt von der Dehnung oder Stauchung des Lichtwellenleiters im Bereich des Faser-Bragg- Gitters ab. Wenn das Faser-Bragg-Gitter als T emperatursensorelement verwendet wird, dann ist es wünschenswert, dass die Dehnung oder Stauchung nur durch eine thermische Ausdehnung bzw. thermische Stauchung des Lichtwellenleiters im Bereich des Faser-Bragg- Gitters hervorgerufen wird. Über eine Messung der Bragg-Reflexionswellenlänge ist ein Rückschluss auf die Temperatur in der Umgebung des Bragg-Gitters möglich. Derartige T emperatursensoren nutzen den photelastischen Effekt. Um eine brauchbare Sensorempfindlichkeit zu erhalten, sind in diese Art von T emperatursensoren metallische Materialien - beispielsweise Aluminium - als Substrat eingebracht, die eine Dehnung oder Stauchung verstärken.
[0003] Ferner gibt es metallfreie T emperatursensoren, die ausschließlich den thermooptischen Effekt zur Messung ausnutzen. Derartige T emp eratursensoren haben eine vergleichsweise schlechte Empfindlichkeit bzw. eine schlechte Auflösung.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
[0004] Es besteht daher Bedarf an einem metallfreien T emperatursensor, der eine relativ große Empfindlichkeit bzw. Auflösung hat.
[0005] Die vorliegende Offenbarung stellt einen T emp eratursensor nach Anspruch 1 bereit. W eiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. [0006] Gemäß einem Aspekt umfasst ein T emperatursensor einen Lichtwellenleiter aus einem Lichtwellenl eitermaterial . Der Lichtwellenleiter umfasst mindestens ein integriertes T emperatursensorelement. Der T emperatursensor umfasst ferner eine Umhüllung aus einem nicht-metallischen Umhüllungsmaterial . Die Umhüllung ist vom Lichtwellenleiter radial beabstandet und umgibt das T emperatursensorel ement des Lichtwellenl eiters . Der T emperatursensor umfasst außerdem eine Kapillare aus einem nicht-metallischen Kapillarmaterial. Die Kapillare ist von der Umhüllung radial beabstandet und umgibt die Umhüllung zumindest bereichsweise. Der Lichtwellenleiter ist an einem Eintrittsende der Umhüllung an dieser fixiert. Der Lichtwellenleiter ist außerdem an einem Austrittsende der Umhüllung an dieser fixiert. Der Lichtwellenleiter ist zudem an einem Eintrittsende der Kapillare an dieser fixiert. Das Umhüllungsmaterial hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Lichtwellenleitermaterials .
[0007] Ein Lichtwellenleitermaterial umfasst beispielsweise ein Fasermaterial aus Glas oder Kunststoff. Der Lichtwel lenleiter umfasst typischerweise einen Kern und einen Mantel, wobei das Lichtwellenleitermaterial des Kerns und das Lichtwellenleitermaterial des Mantels unterschiedliche optische Eigenschaften haben. Das integrierte T emperatursensorelement weist typischerweise ein Faser-Bragg-Gitter auf, aber ist nicht darauf beschränkt. Das integrierte T emperatursensorelement kann beispielsweise auch ein Rückstreuelement für ein faseroptisches Rückstreumessverfahren aufweisen.
[0008] Fixierung, wie hierin verwendet, bezeichnet im Allgemeinen eine Verbindung zwischen den beteiligten Bestandteilen, die dazu imstande ist, an dem einen Bestandteil auftretende Kräfte auf den anderen Bestandteil zu übertragen. Eine Fixierung umfasst hier insbesondere eine feste Verbindung zwischen den beteiligten Bestandteilen zum Übertragen von Kräften, die in der Axialrichtung der Anordnung der Bestandteile des T emperatursensors wirken.
[0009] Ein vorhandener Mantel des Lichtwellenleiters, der für die wellenleitenden Eigenschaften des Lichtwellenleiters maßgeblich ist, ist nicht gleichzusetzen mit der Umhüllung des T emperatursensors, wie hierin verwendet. Die Umhüllung ist zusätzlich zu einem vorhandenen Mantel des Lichtwellenleiters bereitgestellt. Die Umhüllung dient zum Aufbringen eines Dehnungsanteils auf den integrierten T emperatursensor. Die Fixierung des Lichtwellenleiters sowohl an dem Eintrittsende der Umhüllung, als auch an dem Austrittsende der Umhüllung dient allgemein dazu, einen Dehnungsanteil bzw. Stauchungsanteil, der von einer thermischen Dehnung oder Stauchung herrührt, auf den integrierten T emperatursensor aufzubringen. Typischerweise ist die Umhüllung im Wesentlichen röhrenförmig ausgebildet, und der Lichtwellenleiter durchläuft die Umhüllung in deren Axialrichtung näherungsweise geradlinig. Die röhrenförmige Ausbildung der Umhüllung hat insbesondere eine zylindrische Form.
[0010] Der Lichtwellenleiter ist außerdem in die Kapillare eingebracht und an deren Eintrittsende fixiert. Die Kapillare dient unter anderem der Dehnungsentkopplung von äußeren, nicht-thermischen Einflüssen. Der Lichtwellenleiter tritt im Allgemeinen nicht an einem anderen Ende aus der Kapillare aus. Typischerweise ist die Kapillare allseitig abgedichtet, und die Fixierung des Lichtwellenleiters an dem Eintrittsende der Kapillare ist eine abdichtende Fixierung. Beispielsweise ist die Kapillare im Wesentlichen röhrenförmig ausgebildet. Die röhrenförmige Ausbildung der Kapillare hat insbesondere eine zylindrische Form. Der Lichtwellenleiter ist derart in die Kapillare eingebracht und an dem Eintrittsende der Kapillare an dieser fixiert, dass sich der Bereich des Lichtwell enleiters , der das mindestens eine integrierte T emperatursensorelement aufweist, das von der Umhüllung umgeben ist, vollständig im Inneren der Kapillare befindet und typischerweise - mit dem einzigen Fixierungsbereich am Eintrittsende der Kapillare - ansonsten in der Kapillare frei beweglich ist.
[0011] Das Umhüllungsmaterial ist so ausgewählt, dass dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient derart größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Lichtwel len leitermaterials , dass die T emperaturempfindlichkeit des integrierten
T emperatursensorelements messbar gesteigert ist. Beispielsweise kann das
Umhüllungsmaterial so ausgewählt sein, dass die T emperaturempfindlichkeit des integrierten T emperatursensorelements um einen Faktor größer gleich 2 gegenüber einem vergleichbaren herkömmlichen T emp eratursensorelement gesteigert ist, das ausschließlich den thermoopti sehen Effekt zur T emperaturmessung nutzt.
[0012] Ein hierin beschriebener T emperatursensor kann eine Empfindlichkeit oder Auflösung aufweisen, die mindestens so groß ist wie diejenige eines elektrisch arbeitenden T emperatursensors. Gleichzeitig ist der hierin beschriebene T emperatursensor metallfrei und kann in Anwendungsbereichen eingesetzt werden, in welchen die Metallfreiheit wünschenswert oder wesentlich ist, beispielsweise wenn das Einbringen eines elektrisch leitfähigen Materials Betriebs- oder Messvorgänge negativ beeinflussen kann. [0013] Bei Ausführungsformen weist die Umhüllung eine Federkonstante auf, die zumindest im Bereich der Fixierungen zwischen Umhüllung und Lichtwellenleiter größer ist als die Federkonstante des Lichtwel 1 enleiters . Die Federkonstante ist abhängig vom materialbezogenen Elastizitätsmodul und der Wandstärke des jeweiligen Bauteils. Die Federkonstante eines Bauteils kann beispielsweise vergrößert werden, indem ein Material mit einem größeren Elastizitätsmodul gewählt wird und/oder die Wandstärke des Bauteils erhöht wird. Ein derartiges Verhältnis der F ederkonstanten kann dazu beitragen, dass die Empfindlichkeit oder Auflösung weiter verbessert wird.
[0014] Bei Ausführungsformen weist das Umhüllungsmaterial ein Keramikmaterial auf, das Zirconiumdioxid (Zirconia) enthält. Typischerweise besteht das Keramikmaterial im
Wesentlichen vollständig aus Zirconiumdioxid. Optional ist das Umhüllungsmaterial im Wesentlichen vollständig aus dem Keramikmaterial gebildet. Eine das K eramikmaterial aufweisende Umhüllung kann sehr klein, d. h. mit geringer Ausdehnung und nur geringem radialen Abstand von dem T emperatursensorelement, ausgebildet werden. Zudem ist eine das Keramikmaterial aufweisende Umhüllung sehr stabil und mechanisch widerstandsfähig und lässt sich vergleichsweise leicht verarbeiten.
[0015] Bei weiteren Ausführungsformen weist das Umhüllungsmaterial ein
Kunststoffmaterial auf, das Polyimid enthält. Typischerweise besteht das Kunststoffinaterial im Wesentlichen vollständig aus Polyimid. Optional ist das Umhüllungsmaterial im Wesentlichen vollständig aus dem Kunststoffmaterial gebildet. Polyimid hat einen vergleichsweise hohen Ausdehnungskoeffizienten und kann in besonderem Maße dazu beitragen, die Empfindlichkeit oder die Auflösung des T emp eratur s ensor s zu erhöhen. Polyimid ist im Wesentlichen frei von Weichmachern, wodurch eine gute Vernetzung mit einem Epoxidwerkstoff gewährleistet ist, beispielsweise im Bereich des Eintrittsendes oder des Austrittsendes der Umhüllung. Flierdurch kann sich eine alterungsbeständige und/oder belastbare Verbindung ergeben. Polyimid kann auch dazu beitragen, ein Driften der Werte zu vermeiden.
[0016] Bei Ausführungsformen weist das Kapillarmaterial ein Harzmaterial auf, das Epoxid enthält. Typischerweise besteht das Kapillarmaterial im Wesentlichen vollständig aus Epoxid. Optional ist das Kapillarmaterial im Wesentlichen vollständig aus dem Harzmaterial gebildet.
[0017] Bei Ausführungsformen weist der Lichtwellenleiter eine Mehrzahl von integrierten T emperatursensorelementen auf. Die einzelnen T emperatursensorel emente sind voneinander in Richtung einer Achse des Lichtwellenleiters beabstandet, beispielweise entlang der Achse in gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Abständen zueinander aufgereiht. Jedes der T emperatursensorel emente weist eine eigene Umhüllung auf. Die einzelnen Umhüllungen gehen nicht ineinander über, sondern sind voneinander entlang der Richtung der Achse des Lichtwellenleiters beabstandet. Jedes T emperatursensorelement ist in seiner zugehörigen Umhüllung untergebracht, und der Lichtwellenleiter ist dementsprechend jeweils an dem Eintrittsende der Umhüllung und an dem Austrittsende der Umhüllung derart fixiert, dass das jeweilige zugehörige T emperatursensorelement einen durch die Umhüllung verstärkten Dehnungseinfluss bei T emperaturänderung detektiert. [0018] Beispielsweise sind die einzelnen T emperatursensorelemente voneinander jeweils um mehr als 3 cm oder um mehr als 5 cm oder um mehr als 10 cm beabstandet. Der Abstand zwischen den einzelnen T emperatursensorelementen, d. h. die räumliche Dichte von T emperatursensorelementen im Lichtwellenleiter, braucht nicht gleichmäßig zu sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, die räumliche Dichte der T emp eratursensorel emente an eine zu erwartende T emperaturverteilung in einem Messobjekt anzupassen, an oder in welchem der T emperatursensor angeordnet oder angebracht ist.
[0019] Hierbei können mehrere oder sämtliche Umhüllungen der Mehrzahl von integrierten T emperatursensorelementen von derselben Kapillare umgeben sein. In diesem Fall ist die Anzahl von benötigten Kapillaren verringert, was ggf. kostengünstiger sein kann. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0020] Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnitts-Seitenansicht eines T emperatursensors gemäß einer Ausführungsform; Fig. 2 eine schematische Querschnitts-Seitenansicht eines T emperatursensors gemäß einer weiteren Ausfährungsform;
Fig. 3 ein Diagramm, das einen schematischen Messaufbau zur Durchführung einer
T emperaturmessung mit dem T emperatursensor gemäß einer Ausführungsform zeigt; BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
[0021] Nachstehend werden Ausfuhrungsformen näher erläutert. Die Zeichnungen dienen der V eranschaulichung eines oder mehrerer Beispiele von Ausfuhrungsformen. Sofern nicht anderweitig vermerkt, sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
[0022] Hierin beschrieben Ausfuhrungsformen betreffen u. a. einen T emperatursensor, der insgesamt mit 100 bezeichnet ist und in einer Ausführungsform in der Querschnitts- Seitenansicht der Fig. 1 und in einer weiteren Ausfuhrungsform in der Querschnitts- Seitenansicht der Fig. 2 gezeigt ist. In dem schematischen Messaufbau in Fig. 3 kommt in der Darstellung ein T emperatursensor ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten zum Einsatz; dies dient in Fig. 3 jedoch nur der V eranschaulichung und ist nicht einschränkend zu verstehen.
[0023] Der T emperatursensor 100 umfasst einen Fichtwellenleiter 10, der an einem axialen Eintrittsende El in eine Kapillare 30 eingeführt ist. Der Fichtwellenleiter 10 umfasst in der gezeigten Ausfuhrungsform beispielhaft ein T emperatursensorelement 11, das als Faser- Bragg-Gitter ausgebildet ist. Das F aser-Bragg-Gitter ist beispielsweise mittels eines Fasers in den Fichtwellenleiter 10 eingeschrieben. Die hierin beschriebenen T emperatursensorelemente sind nicht auf F aser-Bragg-Gitter beschränkt, wenngleich die nachfolgende beispielhafte Beschreibung der Ausfuhrungsform von F aser-Bragg-Gittem ausgeht.
[0024] Die Kapillare 30 ist in der Ausfuhrungsform eine Glaskapillare, sie kann aber auch aus anderen geeigneten metallfreien Materialien wie z. B. Kunststoff ausgebildet sein. Der Fichtwellenleiter 10 ist an dem Eintrittsende El mit einem Fixierelement 41 an der Kapillare 30 fixiert. Das Fixierelement 41 ist beispielsweise aus einem Klebstoff oder einem Harz gebildet und ist so mit dem Fichtwellenleiter 10 verbunden, dass zumindest in Richtung der Achse A am Fichtwellenleiter 10 wirkende Kräfte (Axialkräfte) von der Kapillare 30 am Eintrittsende El aufgenommen werden. Das Fixierelement kann außerdem das Eintrittsende El abdichten. Zudem ist an dem axialen Ende E2 der Kapillare 30, das dem Eintrittsende El gegenüberliegt, ein V erschlusselement 42 vorgesehen, das das axiale Ende E2 abdichtet. Das V erschlusselement 42 ist wiederum beispielsweise aus einem Klebstoff oder einem Harz gebildet. Der Fichtwellenleiter 10 ist nicht aus dem axialen Ende E2 der Kapillare 30 herausgeführt, so dass der Bereich des Fichtwellenleiters 10 mit dem T emperatursensorelement 11 freihängend in der Kapillare 30 angeordnet ist. Dieser Bereich ist dadurch mittels der Kapillare 30 von nicht-thermischen Einflüssen dehnungsentkoppelt und mittels der Kapillare 30 geschützt.
[0025] Das T emperatursensorelement 11 ist von einer Umhüllung 20 umgeben. Dabei ist das T emperatursensorelement 11 von der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zylindrisch- röhrenförmigen Umhüllung 20 radial beabstandet. Der Lichtwellenleiter 10 tritt an einem Eintrittsende E3 in die Umhüllung 20 ein und an einem Austrittsende E4 aus der Umhüllung aus. Das Eintrittsende E3 der Umhüllung 20 ist an dem Lichtwellenleiter 10 mit einem Fixierelement 21 fixiert; ebenso ist das Austrittsende E4 der Umhüllung 20 an dem Lichtwellenleiter 10 mit einem Fixierelement 22 fixiert. Die Fixierelemente sind jeweils wiederum beispielsweise aus einem Klebstoff oder einem Harz gebildet.
[0026] Die Umhüllung 20 ist aus einem Nichtmetall-Material gebildet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Lichtwellenleiters 10. Beispielsweise ist die Umhüllung 20 aus einem Keramikmaterial gebildet, das Zircona enthält oder im Wesentlichen vollständig aus Zirconia gebildet ist. Alternativ ist die Umhüllung 20 aus einem Kunststoffmaterial gebildet, das Polyimid enthält oder im Wesentlichen vollständig aus Polyimid gebildet ist.
[0027] Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Federkonstante der Umhüllung zumindest im Bereich von Eintrittsende E3 und Austrittsende E4 größer ist als die dortige Federkonstante des Lichtwellenleiters 10. [0028] Der thermisch bedingte Dehnungs- bzw. Stauchungseinfluss auf das
T emperatursensorelement 11 wird durch die Umhüllung 20 verstärkt, so dass der T emperatursensor 100 eine hohe Empfindlichkeit bzw. Auflösung zeigt. Der Aufbau ist außerdem metallfrei, so dass sich ein breiter Einsatzbereich ergibt.
[0029] Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnitts-Seitenansicht eines T emperatursensors 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 erfolgten
Beschreibungen werden nicht wiederholt. Zusätzlich zu dem auch in Fig. 1 dargestellten T emperatursensorelement 11 ist in Fig. 2 ein weiteres T emperatursensorelement 11 bereitgestellt, das entlang der Achse A beabstandet von dem T emperatursensorelement 11 angeordnet ist und eine eigene Umhüllung 20 aufweist. Beide T emperatursensorelemente 11 sind in der gleichen Kapillare 30 angeordnet. [0030] Mehrere T emperatursensorelemente 11 in einem einzigen Lichtwellenleiter 10 können eine Messung der jeweiligen Temperatur oder T emperaturänderung an unterschiedlichen räumlichen Positionen ermöglichen. Wenn der T emperatursensor 100 aus Fig. 2 an oder in einem Messobjekt angeordnet oder angebracht wird, können die jeweiligen Temperaturen an unterschiedlichen Stellen im oder am Messobjekt gemessen werden. Bei einer zugehörigen Messung können mehrere Messsignale ermittelt werden. Eine Zuordnung der einzelnen Messsignale zu den Stellen im oder am Messobjekt erfolgt beispielsweise über die bekannten und/oder vorab ermittelten verschiedenen Charakteristika der T emperatursensorelemente 11. Bei den beispielhaft dargestellten F aser-Bragg-Gittem erfolgt die Zuordnung beispielweise über die jeweilige charakteristische Wellenlänge; entsprechend erfolgt die Zuordnung bei Rückstreuelementen für ein faseroptisches Rückstreumessverfahren über das jeweilige charakteristische Streumuster.
[0031] Fig. 3 ist ein Diagramm, das einen schematischen Messaufbau zur Durchführung einer T emperaturmessung mit dem T emperatursensor 100 aus Fig. 1 oder Fig. 2 zeigt. Der T emperatursensor 100 ist an oder in einem Messobjekt 200 angeordnet, dessen Temperatur bzw. ortsbezogene Temperaturen bestimmt werden sollen.
[0032] Der aus dem Messobjekt 200 herausgeführte Lichtwellenleiter 100 ist optisch mit einem Strahlteiler 110 verbunden. Hinter dem Strahlteiler kann der Lichtwellenleiter 10 mit vorzugsweise breitbandigem Messlicht aus einer Messlichtquelle 120 beaufschlagt werden, das zu den T emperatursensorelementen 11 des Lichtwellenleiters geführt wird und dort wellenlängenabhängig reflektiert wird. Zurücklaufendes Messlicht kann nach Passieren des Strahlteilers 110 mit einem ggf. wellenlängensensitiven Fotosensor 130 detektiert werden. Eine Messvorgangs-Steuerung 140 steuert die Messlichtquelle 120 und den Fotosensor 130 entsprechend an und wertet die Signale aus dem Fotosensor 130 aus. [0033] Bei einer T emperaturänderung werden die T emperatursensorelemente 11 im
Lichtwellenleiter 10 mechanisch gedehnt oder gestaucht. Der thermooptische Effekt hat ebenfalls eine Auswirkung auf das Verhalten der T emperatursensorelemente 11. Der thermooptische Effekt kann einen stärkeren Einfluss auf das Verhalten der T emperatursensorelemente 11 als eine Dehnung oder Stauchung haben, beispielsweise eine zehnmal stärkere Wirkung. Eine Bragg-Reflexionswellenlänge der als F aser-Bragg-Gitter ausgebildeten T emperatursensorelemente 11 ist ein Maß für die T emperaturänderung DT: [0034] Die Konstante k ist abhängig vom Material des Lichtwellenleiters . Die charakteristischen Wellenlängen der bei der Ausfährungsform als Faser-Bragg-Gitter ausgebildeten T emp eratursensorelemente 11 unterscheiden sich voneinander. Dadurch ist es möglich, die Messsignale der einzelnen T emperatursensorelemente 11 voneinander zu unterscheiden.
[0035] Obwohl die Ausfährungsformen der vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausfährungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. T emperatursensor ( 100), umfassend: einen Lichtwellenleiter (10) aus einem Lichtwellenleitermaterial mit mindestens einem integrierten T emperatursensorelement (11); eine vom Lichtwellenleiter (10) radial beabstandete und das
T emperatursensorelement (11) des Lichtwellenleiters (10) umgebende Umhüllung (20) aus einem nicht-metallischen Umhüllungsmaterial; eine von der Umhüllung (20) radial beabstandete und die Umhüllung (20) zumindest bereichsweise umgebende Kapillare (30) aus einem nicht-metallischen
Kapillarmaterial, wobei der Lichtwellenleiter (10) an einem Eintrittsende (E3) der Umhüllung (20) an der Umhüllung (20) fixiert ist, wobei der Lichtwellenleiter (10) an einem Austrittsende (E4) der Umhüllung (20) an der Umhüllung (20) fixiert ist, wobei der Lichtwellenleiter (10) an einem Eintrittsende (El) der Kapillare (30) an der Kapillare (30) fixiert ist, wobei das Umhüllungsmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des
Lichtwellenleitermaterials.
2. T emperatursensor (100) nach Anspruch 1, wobei die Umhüllung (20) eine Federkonstante aufweist, die zumindest im Bereich der Fixierungen größer ist als die Federkonstante des Lichtwellenleiters (10).
3. T emperatursensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Umhüllungsmaterial ein Keramikmaterial aufweist, das Zirconiumdioxid enthält, typischerweise ein Keramikmaterial, das im Wesentlichen aus Zirconiumdioxid besteht.
4. T emperatursensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Umhüllungsmaterial ein Kunststoffmaterial aufweist, das Polyimid enthält, typischerweise ein Kunststofmaterial, das im Wesentlichen aus Polyimid besteht.
5. T emperatursensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Kapillarmaterial ein Harzmaterial aufweist, das Epoxid enthält, typischerweise ein
Harzmaterial, das im Wesentlichen aus Epoxid besteht.
6. T emperatursensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umhüllung (20) und/oder die Kapillare (30) jeweils zylindrisch-röhrenförmig ausgebildet sind.
7. T emperatursensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
mindestens eine integrierte T emperatursensorelement (11) ein Faser-Bragg-Gitter und/oder ein Rückstreuelement für ein faseroptisches Rückstreumessverfahren aufweist.
8. T emperatursensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Lichtwellenleiter (10) eine Mehrzahl von integrierten T emperatursensorelementen (11), typischerweise zwei oder drei oder mehr integrierte T emperatursensorelemente (11), umfasst, wobei die einzelnen T emperatursensorelemente (11) voneinander in Richtung einer Achse (A) des Lichtwellenleiters (10) beabstandet sind, wobei jedes der
T emperatursensorelemente (11) eine eigene Umhüllung (20) aufweist.
9. T emperatursensor (100) nach Anspruch 8, wobei mehrere oder sämtliche Umhüllungen (20) von derselben Kapillare (30) umgeben sind.
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