DE4213602A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur TemperaturmessungInfo
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K5/00—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material
- G01K5/48—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid
- G01K5/50—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid arranged for free expansion or contraction
- G01K5/52—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid arranged for free expansion or contraction with electrical conversion means for final indication
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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.
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
Δϕ = 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.
Δϕ/(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 · Δϕ (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 (11)
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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9218626U DE9218626U1 (de) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | Vorrichtung zur Temperaturmessung |
DE19924213602 DE4213602A1 (de) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924213602 DE4213602A1 (de) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4213602A1 true DE4213602A1 (de) | 1993-10-28 |
Family
ID=6457446
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924213602 Withdrawn DE4213602A1 (de) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4213602A1 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2950209A1 (de) * | 1978-12-13 | 1980-06-26 | United Technologies Corp | Elektrooptischer oszillator und verfahren zum betreiben desselben |
DE3341048A1 (de) * | 1982-11-18 | 1984-05-24 | Consiglio Nazionale Delle Ricerche, Rom/Roma | Faser-optik-thermometer |
DE3623265A1 (de) * | 1986-07-10 | 1988-01-21 | Siemens Ag | Verfahren und anordnung zur faseroptischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung |
-
1992
- 1992-04-24 DE DE19924213602 patent/DE4213602A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
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---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |