DE4213602A1

DE4213602A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE4213602A1
Application number: DE19924213602
Authority: DE
Inventors: Alexander W Dr Ing Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-24
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 1993-10-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Messung der Temperatur von Festkörpern, flüssigen oder gasförmigen Medien.

Für Messungen, die eine hohe Genauigkeit erforderten und sich über einen weiten Temperaturbereich erstrecken sollten, wurden bisher vielfach thermoelektrische Temperaturmeßverfahren ange wandt (z. B. ein unter der Bezeichnung "Pt 100" bekanntes Gerät. Diese Geräte erfordern ebenso wie andere zur Temperaturmessung benutzte Geräte elektrische Zuleitungen zum Sensorkopf.

Es sind zwar pyrometrische Temperaturmeßverfahren bekannt, die auf einer Strahlungsemission des Körpers beruhen und keine galvanischen Zuleitungen zum Sensor benötigen und lediglich eine Sichtlinie zum Meßobjekt benötigen. Der mit Pyrometrie erfaßbare Temperaturbereich liegt oberhalb von typisch 50°C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Temperaturmeßver fahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vor richtung anzugeben, bei denen ohne galvanische Kontakte ausge kommen wird, ein hoher Temperaturbereich von z. B. minus 200 bis plus 300°C liegender Meßbereich erfaßt werden kann, wobei eine außerordentlich hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäßig durch die kombinierten Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig durch die kombinierten Merkmale des Anspruchs 6.

Zur Übertragung der Temperaturinformation kann z. B. eine durch einen Lichtwellenleiter geführte elektromagnetische Welle Ver wendung finden. Die miteinander zu vergleichenden Strahlen können jedoch auch ohne Verwendung von Lichtwellenleitern aus gewertet werden.

Durch die Erfindung werden die nachfolgend erwähnten Vorteile erreicht:

a) lokale Auflösung, d. h. kleine Sensorkopfdimensionen,
b) Millikelvin-Genauigkeit über einen großen Temperatur bereich,
c) Einsatzmöglichkeit in aggressiven oder explosiven Medien,
d) geringe Störung des Meßobjekts,
e) simultane Erfassung mehrerer lokaler Temperaturmeßwerte,
f) galvanische Entkopplung von Anzeigeeinheit und Sensorkopf,
g) Meßmöglichkeit an schwer zugänglichen lokalen Positionen.

Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo eine hohe Meß genauigkeit in Verbindung mit lokaler Auflösung gefordert wird. Die besonderen vorstehend angegebenen Vorteile der Erfindung eröffnen darüber hinaus Anwendungsmöglichkeiten, die konventio nellen Temperatursensoren bisher nicht zugänglich waren. Als Beispiele solcher möglichen Anwendungen seien erwähnt:

a) Isolierte Temperaturmessungen an hochspannungsführenden Komponenten,
b) Bestimmung der Temperatur in Gasen und Plasmen ohne die Notwendigkeit elektrischer Zuleitungen, welche das Meßmedium stören würden,
c) Temperaturverteilungsmessungen durch Mehrfach-Sensorkopf,
d) Extrem großer Temperatur-Dynamikbereich durch die Ausnützung eines sehr einfachen physikalischen Effekts der Wärmeausdehnung,
e) Messungen an schwer zugänglichen Komponenten über beliebig große Entfernungen.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Gesamtanordnung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sensorkopfes mit dem darin befindlichen Strahlengang;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Strahlen;

Fig. 4 ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Auskopplung.

Die Anzeigeeinheit 1 gemäß Fig. 1 besitzt nur einen optischen Anschluß 2 für einen Lichtwellenleiter 3, der über einen optischen Schalter 4 in beliebig viele Meßnebenstellen-Licht wellenleiter (5a, 5b, 5c,. . .) aufgeteilt wird. Als Beispiel ist in Fig. 1 die Temperaturmessung in einem Festkörper, in einer Flüssigkeit bzw. in einem Gas- oder Plasma-Medium auf gezeigt. Der Sensorkopf wird hierbei entweder mit der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes kontaktiert oder in diesen einge taucht.

Durch eine Lichterzeugungseinheit, vorzugsweise in Gestalt eines Lasers 10 wird ein Meßstrahl einem Strahlteiler 11 gelie fert. Dieser Strahlteiler weist einen halbdurchlässigen Spiegel 14 und einen Reflexionsspiegel 13 auf. Der halbdurchlässige Spiegel 14 reflektiert einen Teil des Meßstrahles nach dem Spiegel 13, der diesen Teil durch den halbdurchlässigen Spiegel 14 zurück nach einem Photodetektor 12 schickt. Der den halb durchlässigen Spiegel durch laufende Teil des Meßstrahls durch läuft als Sensorstrahl den Lichtleiter 3, wird vom Sensor 9 reflektiert und über den halbdurchlässigen Spiegel 14 dem Photo detektor 12 zugeführt.

Das Meßprinzip beruht auf der Interferenz von Teilwellen, die einerseits von dem Referenzspiegel 13 und andererseits vom Sensorkopf 9 reflektiert und im Photodetektor 12 überlagert werden. Die Interferenz der beiden Strahlen ist ein äußerst empfindliches Maß für die relative optische temperaturbedingte Wegänderung in den Teilstrahlen. Der Referenzstrahlengang, d. h. der Weg zwischen den Spiegeln 13 und 14 kann mit hoher Genauig keit konstant gehalten werden, während die Meßgröße durch die optische Wegänderung im Sensorkopf gegeben ist. Diese Weg änderung ist, wie sich aus der Beschreibung weiter unten ergibt, ausschließlich eine Funktion der thermischen Expansion oder Kontraktion des Sensorkopfmaterials.

Das Ausgangssignal des Photodetektors 12 wird im Verstärker 15 vorverstärkt, anschließend in einem Analog-Digital-Wandler 16 digitalisiert und der Auswerteeinheit 17 zugeführt. Eine Refe renz-Datenbank 18 beinhaltet die relativen Materialkonstanten der eingesetzten Sensorköpfe, und diese wird zur absoluten Temperaturangabe in der Anzeige 19 herangezogen. Eine Auswahl von anwendbaren Materialdaten geht aus der nachstehenden Tabelle 1 hervor.

Tabelle 1

Die Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Sensorkopfes 9. Das Meßende des Lichtwellenleiters 5 ist an der Stelle 20 mit einer Hülse 21 aus Sensormetall fest verbunden. Die temperatur abhängige Meßlänge L reicht von der Stelle 20 bis zur reflek tierenden Innenwand 22 der Sensorkopfvorderseite. Der in der Strahlteilereinheit 11 in den Lichtwellenleiter 3 eingekoppelte Lichtstrahl 23 tritt an der Stirnseite 24 des Lichtwellenleiters 5 aus und wird an der Innenwand 22 reflektiert. Die reflektie rende Innenwand 22 kann zum Zwecke der besseren Lichtausbeute verspiegelt sein. Der reflektierte Strahl 25 wird vom Licht leiter erfaßt und über den optischen Schalter 4 zur Anzeige einheit 1 zurückgeleitet. An der Stelle des Strahlteilers 11 erfolgt die Einspiegelung des Referenzstrahles. Die optische Wegänderung als Funktion der Temperaturänderung ΔT beträgt mit dem Längenausdehnungskoeffizienten α:

ΔL = L · α · ΔT (1)

Der Abstand 1 wird so gewählt, daß gilt

l » ΔL (2)

Mit den Materialkonstanten aus Tabelle 1 folgt z. B. für das Sensorkopfmaterial Aluminium und eine Sensorlänge von L = 10 mm:

E = ΔL/ΔT = 0,23 µm/K (3)

Die in Gl (3) berechnete Empfindlichkeit E bedeutet daß pro Grad Temperaturänderung eine Längenänderung von 0.23 µm erfaßt werden muß. Die im Detektor erfaßte Phasendifferenz zwischen Refe renz und Meßstrahl beträgt dann mit dem Wellenvektor k

Δ_ϕ = k · ΔL = 2 · π · ΔL/λ (4)

Konventionelle interferometrische Auswerteeinheiten erlauben die Vermessung von Phasenverschiebungen im Bereich von weniger als 1/1000 Streifen, d. h.

Δ_ϕ/(2 · π) = 1/1000 (5)

Kombiniert man Gl (4) mit GL (5) und GL (3) so folgt für z. B. rotes HeNe-Laserlicht (λ = 633 nm) für die absolute Meßgenauig keit

Δ L = (1/1000) · λ = E · ΔT (6)

wobei E = α·L. Die Maßgrenze für das hier beispielhaft durch gerechnete Beispiel liegt somit bei

Δ T = λ/(E · 1000) = λ/(α · L · Δ_ϕ (2 · π) (7)

mit dem Zahlenwert ΔT = 2,75 mK. D.h., bei (konventioneller) Annahme der Streifenempfindlichkeit kann eine Temperaturänderung im Millikelvin-Bereich gemessen werden.

Fig. 3 zeigt die Formelgrößen bei der Interferenz übersichtlich.

Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Lichtauskopplung unter Verwendung eines optischen Richtkopplers 11a. Der vom Laser 10a ausgesandte Meßstrahl durchläuft den Lichtwellenleiter 3, wird am Sensor 9 reflektiert und im Richtungskoppler ausgekoppelt und gelangt zu dem Photodetektor DET 1. Ein Teil des vom Laser herrührenden Meßstrahls wird im Richtungskoppler nach dem Photo detektor DET 2 ausgekoppelt und die Ausgänge des Detektorpaares 12A werden in der beschriebenen Weise ausgewertet. Die in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen und Schaltungsanordnungen stellen nur Ausführungsbeispiele dar, unter Verwendung des Erfindungsprinzips können zahlreiche Abwandlungen getroffen werden, von denen nachstehend einige beschrieben sind:

a) Messung der Temperatur über Sichtstrahl (ohne Licht wellenleiter), wobei ein aus der Anzeigeeinheit 1 austretender Laserstrahl vom Sensorkopf empfangen und nach 1 zurückreflektiert wird,
b) Mehrfachmeßsystem durch Betrieb einer großen Anzahl von Meßköpfen mit verschiedenen Empfindlichkeiten E mit nur einer Anzeigeeinheit 1,
c) Ausgestaltung des Sensorkopfes im Hinblick auf das Meßobjekt, z. B. flexibler Sensorkopf, ringförmiger Sensorkopf, spulenähnlicher Sensorkopf zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit (z. B. führt für das o.a. Beispiel eine aufgewickelte Länge von L = 10 m zur Genauigkeit ΔT = 2,7 pK.
d) Ableitung des Referenzsignals direkt aus der Reflexion an der vorderen Grenzfläche 24 zwischen Lichtwellen leiter 5 auf Umgebung. Der Referenzstrahl 25a inter feriert dann mit dem Maßstrahl 25, wobei der durch den Spiegel 13 definierte Referenzstrahlengang dann nicht mehr benötigt wird. (Voraussetzung: ausreichende Licht intensität).

Claims

1. Verfahren zur Temperaturmessung durch Messung der temperaturbedingten Längenänderung eines Ausdehnungskörpers, bei dem

- ein Meßstrahl in einen Referenzstrahl und einen Sensorstrahl aufgespalten wird,
- der Referenzstrahl einer Auswerteeinheit zugeführt wird,
- der Sensorstrahl am temperaturabhängig bewegten Ende des Ausdehnungskörpers reflektiert und der Auswerte einheit zugeführt wird und
- in der Auswerteeinheit die Phasenverschiebung zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Sensorstrahl gemessen und als temperaturabhängige Meßgröße ausge wertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltung des Meßstrahles unter Verwendung eines Strahlteilers erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltung des Meßstrahles durch einen Richtungskoppler bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen in einem Lichtwellen leiter geführt werden und der Sensorstrahl aus der Stirnseite des Lichtwellenleiters auf die reflektierende Oberfläche des Ausdehnungskörpers austritt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl (25a) durch Reflexion an der Stirnseite (24) des Lichtwellenleiterendes erzeugt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit den folgenden Merkmalen:

- ein als Ausdehnungskörper (21) ausgebildeter Sensor ist mit einem Ende an einem Lichtwellenleiter (5) festgelegt,
- das andere Ende des Ausdehnungskörpers weist einen der Lichtwellenleiterstirnseite zugewandten Reflektor (22) auf,
- ein Laser (10) ist mit dem (3, 5) Lichtwellenleiter gekoppelt,
- es ist eine Einrichtung (11, 11a) zur Auskopplung von Referenzstrahl und reflektiertem Sensorstrahl vorge sehen,
- es ist eine interferometrische Auswerteeinheit vor gesehen, die die Phasenverschiebung von Referenzstrahl und reflektiertem Sensorstrahl mißt und in Temperatur werte umformt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Hülsenkörper (21) ausgebildet ist, der mit einem Ende bei (20) am Ende des Lichtwellenleiters (5) festgelegt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor spulenförmig aufge wickelt ist und einen Lichtwellenleiter umschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung ein Strahlteiler (11) vorgesehen ist, der einen halbdurchlässigen Spiegel (14) und einen Referenzspiegel (13) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung ein Richtungs koppler (11a) vorgesehen ist, der reflektierten Sensorstrahl und Referenzstrahl nach zwei getrennten Photodetektoren (12a) aus koppelt, deren Ausgänge der Auswerteeinheit zugeführt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Anzeigeeinheit (1) herausgeführte Lichtwellenleiter (3) über einen optischen Schalter (4) an mehrere Sensoren (9) über getrennte Licht wellenleiter (5a, 5b, 5c) anschaltbar ist.