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Die
Erfindung betrifft eine faseroptische Sensorvorrichtung zur Bestimmung
des Betauungsgrades an feuchtigkeitsempfindlichen Produkten mit
den Merkmalen des Hauptanspruches. Das erfindungsgemäße Sensorelement
kann unter Ausnutzung der Änderung
des Brechungsindex des verwendeten Materials ebenso zur Temperaturmessung
verwendet werden.
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Optische
Verfahren zur Bestimmung der Benetzung einer definierten Oberfläche, die
Gebrauch von einem Sensorelement mit Lichtwellenleiter machen und
auf dem Prinzip der Lichtbrechung beruhen, sind aus dem Stand der
Technik bekannt. Grundsätzlich
erfolgt bei diesen Verfahren die Bestimmung der Benetzung einer
Oberfläche
aus der Intensitätsänderung
zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Licht, wobei die Änderung der
Lichtintensität
in Abhängigkeit
von der Lichtbrechung an der benetzten Oberfläche steht.
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So
betreffen die
GB 2076960
B und EP-B-450175 Vorrichtungen zur Füllstandsanzeige in Behältern, bei
denen das an den Sensorkopf herangeführte Licht mit Hilfe einer
plankonvexen Linse parallel gerichtet wird, um das Licht durch ein
kreiszylindrisches Element ohne Reflexionen entlang der Zylinderwand
einer kegelförmigen
Grenzfläche
zuzuführen,
an der das Licht reflektiert und wiederum parallel entlang der Zylinderwand
zur Plankonvexlinse zurückgeführt wird,
von der er gebündelt
und von einem Lichtempfänger
fast vollständig
erfasst wird. Im Fall einer Benetzung der kegelförmigen Grenzfläche wird
das Licht an der Grenzfläche
abgelenkt und die Intensität
des am Lichtempfänger erfassten
Lichts ändert
sich und zeigt eine Oberflächenbefeuchtung der
Grenzfläche
an.
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Die
DE-10041729 A1 beschreibt einen Regentropfen-Sensor für eine Steuervorrichtung
eines Fahrzeugscheibenwischers. Dieser Sensor weist einen plankonvexen
Linsenabschnitt und einen Prismenkörper auf. Auch bei dieser Vorrichtung
wird das eingebrachte Licht durch eine Plankonvexlinse parallel
gerichtet und in einem definierten Winkel der Messfläche zugeführt, an
der es im Fall einer Totalreflexion einer zweiten Plankonvexlinse
zugeführt
wird, die das einfallende Licht bündelt und von einer Lichtempfängereinheit
erfasst wird.
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Diese
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Anordnungen weisen
eine Reihe von ähnlichen
Merkmalen auf. Das eingekoppelte Licht muss durch eine Plankonvexlinse
dermaßen
gerichtet werden, dass es in einem Winkel von annähernd 45° auf die
Oberfläche
der Messebene trifft, um damit im Fall einer Totalreflexion von
dieser Oberfläche
unter dem gleichen Winkel reflektiert zu werden. Daher ist die Ausrichtung
der Linsen in Bezug zu der Grenzfläche von großer Bedeutung, um eine ausreichende Empfindlichkeit
des Sensors zur Messung einer einsetzenden Befeuchtung zu erzielen.
Die kompakte Bauausführung
sowie die Größe des Sensors
sind bedingt durch die Anzahl von Bauteilen und durch deren definierte
Anordnung zueinander eingeschränkt.
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Den
im Stand der Technik bekannten Sensorsystemen ist jedoch auch gemeinsam,
dass sie bauartbedingt eine Empfindlichkeit aufweisen, die nicht
immer ausreichend ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Betauungssensor
zu schaffen, der sich durch einen kompakten und miniaturisierten
Aufbau auszeichnet, sich kostengünstig
in hohen Stückzahlen
herstellen und fertigen lässt
und zudem eine hohe Messempfindlichkeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch Bereitstellung einer Sensorvorrichtung mit den im Hauptanspruch
angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die
Erfindung basiert auf den grundsätzlichen
Prinzipien der Optik. Als physikalisches Messprinzip wird die Änderung
des Brechungswinkels an einer Grenzfläche infolge Benetzung der Oberfläche mit
Flüssigkeitsmolekülen verwendet.
Diese Grenzfläche
ist erfindungsgemäß als Kontaktfläche zwischen
dem Sensorkopf und der den Sensorkopf umgebenden Luft definiert.
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Die
erfindungsgemäße faseroptische
Sensorvorrichtung zur Detektion von Betauung und/oder zur Temperaturmessung
weist eine Lichtquelle, eine mit der Lichtquelle verbundene Lichtsendefaser,
eine Lichtempfangsfaser und einen mit der Lichtempfangsfaser verbundenen
Lichtdetektor, sowie einen mit Lichtsendefaser und Lichtempfangsfaser
verbundenen optisch transparenten Sensorkopf mit einer ersten hohlgewölbten Grenzfläche Ar und einer zweiten hohlgewölbten Grenzfläche Al des Sensorkopfes auf, wobei die Grenzflächen Ar und Al so ausgebildet und
angeordnet sind, dass die erste hohlgewölbte Grenzfläche Ar das über
die Lichtsendefaser in das Sensorelement eingekoppelte Licht auf
die zweite hohlgewölbte
Grenzfläche
Al reflektiert und die zweite hohlgewölbte Grenzfläche Al dieses Licht aus dem Sensorkopf in die
Lichtempfangsfaser auskoppelt.
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Im
betauungsfreien Zustand wird das von der Lichtsendefaser in den
Sensorkopf eingekoppelte Licht aufgrund der geometrischen Gestaltung
des Sensorkopfes zur Lichtempfangsfaser reflektiert und kann unter
Vernachlässigung
der Streuverluste nahezu vollständig
detektiert werden.
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Bei
einsetzender Betauung wird das eingekoppelte Licht nicht mehr vollständig von
dem Sensorkopf reflektiert, sondern an der Grenzfläche teilweise
gebrochen und aus dem Sensorkopf nach außen abgestrahlt. Dadurch nimmt
die an der Lichtempfangsfaser ankommende Lichtintensität ab und
zeigt eine einsetzende Betauung der Oberfläche des Sensorkopfes an.
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Eine
die von der Lichtempfangsfaser empfangene Lichtintensität beeinflussende
Hintergrundstrahlung kann messtechnisch durch eine zusätzliche
Lichtempfangsfaser des Lichts erfasst werden. Hierdurch steigt die
Genauigkeit der Messung und eine quantitative Bestimmung eines Benetzungsgrades
wird damit ermöglicht.
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Der
beschriebene Aufbau kann gleichzeitig im betauungsfreien Zustand
zur Temperaturmessung verwendet werden. Auch hierfür wird das
Prinzip der Änderung
der optischen Eigenschaften des Materials des Sensorelementes in
Abhängigkeit
von der Temperatur verwendet. Die Temperaturänderung wird hierbei aufgrund
der Änderung
des Grenzwinkels für die
Totalreflexion gemessen, wobei wiederum die Intensitätsänderung
des eingebrachten und des empfangenen Lichts bestimmt wird. Bei
einsetzender Betauung kann hierdurch die Taupunkttemperatur ermittelt
werden, woraus sich dann wiederum die relative Feuchte bestimmen
lässt.
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Darüber hinaus
zeichnet sich das erfindungsgemäße Sensorelement
durch einen miniaturisierten Aufbau aus, das keine elektromagnetische Wechselwirkung
mit dem Prüfling
eingeht und daher auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden
kann.
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Die
Erfindung ist anhand einer Ausführungsform
eines Sensorelements der Sensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung,
das in der beigefügten einzigen
Figur dargestellt und wird im Verlauf der Figurbeschreibung detailliert
beschrieben.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Sensorelementes 12 mit einer
Lichtsendefaser 9, einer ersten Lichtempfangsfaser 10,
einer zweiten Lichtempfangsfaser 11 und mit einem Sensorkopf 13. Zusätzlich ist
das von der Lichtsendefaser 9 in den Sensorkopf 13 eingekoppelte
Licht 2 mit den Randstrahlen 1 und 3 sowie
dessen reflektierter Strahlengang 5 mit den Randstrahlen 4 und 6 eingezeichnet. Nicht
dargestellt in 1 ist die Lichtquelle, die mit der
Lichtsendefaser verbunden ist. Ebenso sind die beiden Detektoren
in 1 nicht dargestellt, die mit der ersten bzw. der
zweiten Lichtempfangsfaser verbunden sind.
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Das
in 1 dargestellte Sensorelement 12 weist
einen bevorzugt einstückig
hergestellten Sensorkopf 13 auf, an dem eine Lichtsendefaser 9 und eine
Lichtempfangsfaser 10 angeordnet sind. Die Lichtsendefaser 9 verbindet
den Sensorkopf 13 mit einer in 1 nicht
dargestellten Lichtquelle. Die Lichtempfangsfaser 10 verbindet
den Sensorkopf 13 mit einem Detektor, der in 1 nicht
dargestellt ist. Der Sensorkopf 13 besteht hierbei aus
einem optisch transparenten Material, wie z.B. einem polymeren Kunststoff
wie Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Glas, das bevorzugt einen
Brechungsindex von ns > 1 aufweist. Vorzugsweise soll der Brechungsindex
ns des Sensorkopfes 13 so gewählt werden,
dass er mit der Kernbrechzahl des verwendeten Lichtwellenleiters
(Lwl) der Lichtsendefaser 9 und Lichtempfangsfaser 10 identisch
ist.
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Die
Größe des bevorzugt
einstückig
hergestellten Sensorelementes 12 wird in Abhängigkeit von
dem Öffnungswinkel
des in das Sensorelement eintretenden Lichtes, des Abstandes zu
den hohlgewölbten
Grenzflächen
Ar und Al der hohlgewölbten Außenfläche des
Sensorkopfes 13 als Kontaktfläche des Sensorkopfes zur äußeren Umgebung
und des Durchmessers des verwendeten Lichtwellenleiters bestimmt.
Ein miniaturisierter Aufbau des Sensorkopfes 13 der gezeigten
Ausführungsform
kann somit eine Größe mit einem
Sensorvolumen der Größenordnung
von 3·3·3 mm3 aufweisen.
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Die
Lichtsendefaser 9 und die Lichtempfangsfaser 10 sowie
die Grenzflächen
Ar und Al sind so
zueinander im Sensorkopf 13 angeordnet und bemessen, dass
die eingangsseitig eingekoppelte Lichtmenge im unbetauten Zustand
bei einer Bezugstemperatur ϧ0 so
vollständig
wie möglich,
d.h. nur mit zu nicht vermeidenden Streuverlusten, im Sensorkopf 13 an
den Grenzflächen
Ar und Al reflektiert und
in die Lichtempfangsfaser 10 ausgekoppelt wird.
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Das
Licht wird hierbei von einer in 1 nicht
dargestellten Lichtquelle erzeugt und über eine Lichtsendefaser 9 in
das Sensorelement 12 eingekoppelt. Erfindungsgemäß kann somit
auf ein zusätzliches
Linsensystem zur Ausrichtung und Fokussierung des eingekoppelten
und reflektierten Lichts verzichtet werden, um die Anzahl der verwendeten
Bauteile des Sensors so gering wie möglich zu halten und damit einen
miniaturisierten Aufbau zu ermöglichen.
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In
der gezeigten Ausführungsform
folgt die Ausbreitung des von der Lichtsendefaser 9 ausgestrahlten
Lichts einem Gaußschen
Intensitätsprofil mit
einem für
den Lichtwellenleiter spezifischen Öffnungswinkel αLwl.
Das eingekoppelte Licht breitet sich hierbei zwischen den in 1 dargestellten
Strahlen 1 und 3 unter dem Öffnungswinkel αLwl aus
und trifft vollständig
auf eine erste Grenzfläche 7 (Ar) des Sensorkopfes 13. Dabei ist
die erste Grenzfläche 7 (Ar) in Anpassung an die Richtung des aus der
Lichtsendefaser 9 in den Sensorkopf 13 eintretenden
Lichts so hohlgewölbt,
das im betauungsfreien Zustand und bei einer Bezugstemperatur ϧ0 das eingekoppelte und ausgebreitete Licht
vollständig
zu einer zweiten Grenzfläche 8 (Al) reflektiert wird. Weiterhin im betauungsfreien
Zustand fokussiert diese zweite Grenzfläche 8 (Al)
aufgrund ihrer Hohlwölbung
das von der ersten Fläche 7 (Ar) reflektierte Licht in Richtung zu der
Lichtempfangsfaser 10.
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Die
Hohlwölbung
und Größe der beiden Grenzflächen Ar und Al sind hierbei
an wichtige Bedingungen gebunden. Im Rahmen der Dimensionierung
der Grenzfläche
Ar müssen
für den
ausgewählten
Lichtwellenleiter außer
der Lichteintrittsrichtung sowohl das spezifische Intensitätsprofil
des Lichts als auch der spezifische Öffnungswinkel αLwl des
Lichts berücksichtigt
werden. Die Größe der Grenzfläche Ar muss für
den erfindungsgemäßen Sensorkopf 13 so bemessen
sein, dass das von der Lichtsendefaser 9 ausgekoppelte
und mit dem Öffnungswinkel αLwl divergente
Licht auf die Grenzfläche 7 (Ar) trifft. Die Hohlwölbung der Grenzfläche 7 (Ar) muss, wie oben angegeben, dabei so festgelegt
sein, dass das Licht so vollständig
wie möglich,
d.h. nur mit unvermeidbaren Streuverlusten auf die zweite Grenzfläche Al reflektiert wird.
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Die
zweite Grenzfläche
Al wird hierbei anhand des von der ersten
Grenzfläche
Ar reflektierten Lichts, das durch die Randstrahlen 1 und 3 definiert ist,
dargestellt. Im unbetauten Zustand wird erfindungsgemäß die maximale
Menge des reflektierten Lichtes auf die zweite Grenzfläche Al gelenkt. Die Hohlwölbung der zweiten Grenzfläche Al muss derart bestimmt sein, dass das auftreffende
Licht in Richtung der Lichtempfangsfaser 10 so vollständig wie möglich, d.h.
nur mit nicht zu vermeidenden Streuverlusten, reflektiert und fokussiert
in die Lichtempfangsfaser 10 ausgekoppelt wird. Der Strahlenverlauf
des an der zweiten Grenzfläche
Al reflektierten Lichts ist anhand der in 1 dargestellten
Lichtstrahlen 4 und 6 dargestellt. Das aus dem
Sensorkopf ausgekoppelte und in die Lichtempfangsfaser eingekoppelte
Licht wird zum in der Zeichnung nicht dargestellten Lichtdetektor
mit Auswertungseinheit geleitet.
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Die
Form und Größe der beiden
Grenzflächen
Ar und Al ist von
der Form der Abstrahlquerschnittsfläche der Lichtsendefaser 9,
die kreisförmig oder
ellipsenförmig
sein kann, von dem Strahlungsprofil des verwendeten Lichtwellenleiters
und von dem Öffnungswinkel αLwl des
aus der Lichtsendefaser ausgekoppelten und in den Sensorkopf eingekoppelten
Lichts, dessen Eintrittswinkel senkrecht ist, abhängig. Es
wurde herausgefunden, dass die Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung
umso größer ist,
je kleiner die Abstrahlquerschnittsfläche des verwendeten Lichtwellenleiters
ist.
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In
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
weist der Sensorkopf eine rotationssymmetrische Form auf. Bevorzugt
hat der Sensorkopf eine den Lichtwellenleitern zugewandte Querschnittsfläche, an
welcher das Licht von der Lichtsendefaser vorzugsweise senkrecht
zu der Grundfläche
eingekoppelt wird und das reflektierte Licht vorzugsweise senkrecht
zu der Grundfläche ausgekoppelt
wird, und die sich senkrecht zur Rotationsachse erstreckt und daher
eine Kreisfläche
ist. Die Grundfläche
kann aber auch schräg
zur Rotationsachse geneigt sein.
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Insbesondere
kann der Sensorkörper
die Form eines Rotationsparaboloids haben. Erfindungsgemäß sind auch
Ausführungsformen,
bei denen der Sensorkopf eine Kugelfläche mit konstantem Krümmungsradius
aufweist, auch in Form einer Kugelringfläche, oder die Form einer Halbkugel
oder einer Plankonvexlinse hat. Der in 1 dargestellte
Sensorkopf hat eine asymmetrische Form.
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Durch
die Dimensionierung und Hohlwölbung
der beiden Grenzflächen 7 und 8 des
Sensorkopfes 13 ist es möglich, im nicht betauten Zustand und
bei einer Bezugstemperatur ϧ0 die
eingestrahlte Lichtmenge von der Lichtempfangsfaser 10 nahezu so
vollständig
wie möglich,
d.h. nur mit zu nicht vermeidenden Streuverlusten als Maximalwert
zu bestimmen.
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Das
Auftreten einer Hintergrundstrahlung kann zu einer von der eingekoppelten
Lichtstrahlung unterschiedlich gemessenen Lichtintensität führen, die
von der Lichtempfangsfaser 10 detektiert wird. Das in der
Figur dargestellte Sensorelement weist daher zusätzlich eine zweite Lichtempfangsfaser 11 auf,
die nicht das von einer der beiden Grenzflächen Ar und
Al direkt reflektierte Licht einkoppelt.
Die an dem Sensorkopf 13 angeordnete zweite Lichtempfangsfaser 11 erlaubt
eine messtechnische Erfassung einer störenden Hintergrundstrahlung
auf den Sensorkopf und ermöglicht
eine Kompensation des in der Lichtempfangsfaser 10 zusätzlich durch
die Hintergrundstrahlung eingekoppelten Lichtes.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform des
Sensorelementes 12 kann nach Kalibrierung der Anordnung
auch für
eine Temperaturmessung verwendet werden. Hierbei wird als Messprinzip
die Änderung
der optischen Eigenschaften des Sensorelementes in Abhängigkeit
von einer Bezugstemperatur ϧ0 genutzt.
Bei dieser Bezugstemperatur ϧ0 ist
der Randstrahl 1 des von der Lichtsendefaser 9 eingekoppelten
Lichtes identisch mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion αG0. Ändert sich
die Temperatur ϧ des Sensorelements 12, so ändert sich
damit der Brechungsindex ns des Materials
des Sensorkopfes 13 um Δns und gleichzeitig der Grenzwinkel αG0 der
Totalreflexion. Für
den Randstrahl 1 wird hierbei ein Teil des eingestrahlten
Lichtes nach außen
gebrochen und reduziert so die an der Lichtempfangsfaser 10 empfangene
Lichtintensität,
die durch einen in 1 nicht dargestellten Lichtdetektor
gemessen werden kann. Entsprechendes gilt umgekehrt für den Randstrahl 3.
In diesem Fall wird dann mit der Verkleinerung des Grenzwinkels
aufgrund der Änderung
des Brechungsindex n als Funktion der Temperatur zunehmend Lichtleistung
zur Empfangsfaser reflektiert.
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Der
Brechungsindex n des Materials des Sensorkopfes ist material-, wellenlängen- und
temperaturabhängig.
Die Wellenlänge
des eingestrahlten Lichtes wird daher vorzugsweise so ausgewählt, dass
der Brechungsindex n bei der Temperaturmessung eine maximale Temperaturempfindlichkeit
für das
verwendete Material besitzt.
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Werden
bei der Kalibrierung die detektierten Lichtintensität bestimmt
und parallel mit einem zusätzlichen
Messverfahren die Temperatur gemessen, so ergibt sich die Übertragungskennlinie
der empfangenen Lichtintensität
in Abhängigkeit
von der Temperatur, und mit Hilfe der Kennlinie ist eine Temperaturbestimmung
möglich.
Eine beginnende Kondensation an der Sensoroberfläche Ar bei
Erreichen der H2O-Sättigung der Umgebungsluft,
in der Regel bei Absenkung der Temperatur oder Erhöhung des
Umgebungsdruckes, begrenzt den Temperaturmessbereich, da hier der
Winkel der Totalreflexion αG0 durch das Kondensat zusätzlich verändert wird.
Eine Temperaturerhöhung
ist in der Regel problemlos messbar, und wird nur durch die verwendeten
Materialien beschränkt.
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Des
Weiteren ist eine quantitative Bestimmung des Benetzungsgrades σ
x der
Oberfläche
des Sensorkopfes
13 durch eine geeignete Kalibrierung des
Sensorelementes
12 möglich.
Der Benetzungsgrad σ
x ist durch folgende Gleichung definiert:
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Im
Rahmen der Kalibrierung wird eine maximale Lichtintensität Imax bestimmt, die im vollkommen unbetauten
Zustand der Grenzfläche
des Sensorkopfes 13 von der Lichtempfangsfaser 10 aufgrund
der vorherrschenden Totalreflexion empfangen wird. Zusätzlich wird
während
der Kalibrierung eine minimale Lichtintensität Imin gemessen.
Für diesen
Zustand ist die gesamte Oberfläche
des Sensorkopfes 13 mit Wasser benetzt, so dass der überwiegende
Teil des in den Sensorkopf 13 eingekoppelten Lichtes durch die
Grenzflächen
nach außen
tritt und nur ein geringer Anteil des Lichtes von der Lichtempfangsfaser 10 empfangen
wird. Durch einen aktuell bestimmten Wert der von der Lichtempfangsfaser 10 empfangenen
Lichtintensität
Ix ist schließlich eine quantitative Bestimmung
des Benetzungsgrad σx in [%] möglich.
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Aufgrund
des nichtelektrischen Messprinzips ist der Sensor auch in explosionsgefährdeten
Bereichen oder in Hochspannungsanlagen einsetzbar. Der miniaturisierte
Aufbau erlaubt darüber
hinaus Messungen hinsichtlich einer Betauung an schwer zugänglichen
Stellen sowie den nachträglichen
Einbau in bestehende Produkte.
