Lade Inhalt...

Temperaturmessung mit faseroptischen Temperatursensoren für einen Messpunkt

Seminararbeit 2010 41 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkurzungsverzeichnis

1. Einfuhrung und Zielsetzung
1.1. Einfuhrung
1.2. Zielsetzung

2. Faseroptische Sensoren
2.1. Prinzipien
2.2. Struktureller Aufbau faseroptischer Sensoren
2.3. Der Fabry-Perot-Sensor
2.3.1. Prinzipielle Wirkungsweise des FPS
2.3.2. Stand der Technik bei faseroptischen Fabry - Perot - Sensoren
2.3.3. FPS als Temperatursensor
2.3.4. Anwendungsbeispiel Holztrocknung mit FPS
2.4. Faser-Bragg-Gitter-Sensor
2.4.1. Temperaturmessung mit dem Faser - Bragg Sensor
2.4.2. Anwendungsgebiete von Faser Bragg Temperatursensoren
2.5. Thermolumineszenz
2.5.1. Grundlagen der Thermolumineszenz in der Temperaturmessung
2.5.2. Thermolumineszenz bei Luxtron
2.5.3. Umwelttechnik
2.5.4. Medizintechnik

3. Uberblick uber die aktuelle Marktsituation
3.1. Marktentwicklung
3.2. Hersteller von FOS

4. Fazit und Ausblick

Literatur- und Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Struktureller Aufbau von FOS

Abbildung 2: Aufbauprinzip eines Fabry-Perot-Sensors

Abbildung 3: Mogliche Aufbauprinzipien faseroptische Fabry - Perot - Sensoren

Abbildung 4: Struktur Faser - Bragg - Gitter

Abbildung 5: Schematisches Streuspektrum einer dotierten Quarzfaser

Abbildung 6: Kennlinie Lebensdauer - Transformators

Abbildung 7: Praxisbeispiel eines Temperaturuberwachungssystems (Fa. Nortech)

Abbildung 8: FBG Temperatursensoren an einer Hochspannungsoberleitung

Abbildung 9: Gasturbine

Abbildung 10: Schematische Darstellung des Sensornetzwerks

Abbildung 11: Temperaturkennlinie

Abbildung 12: Schematischer Aufbau eines FSO-Temperatursensors

Abbildung 13: Vergleich thermischer Normalstrahlung mit Glowkurve

Abbildung 14: Thermolumineszenz - Sensor

Abbildung 15: Lichtimpulszerfall

Abbildung 16: Umwelttechnik

Abbildung 17: Krebsuberwachung

Abbildung 18: Marktentwicklung FOS 1

Abbildung 19: Marktentwicklung FOS 2

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Beispiele kommerziell verfugbarer faseroptischer Temperatursensoren

Abkurzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einfuhrung und Zielsetzung

1.1. Einfuhrung

Die Messung der Temperatur ist eine der haufigsten Messungen in der Wissenschaft und Technik. Faseroptische Sensoren gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung, da konventionelle Messtechnologie fur Temperatur-, Dehnungs- und Schwingungsmessung bei spezifischen Praxisanforderungen immer wieder an Grenzen stoBen. Grenzbereiche entstehen, z.B. bei spezifischen Anforderungen wie extreme Umweltlasten, geringes Einbauvolumen, geringe Masse, geringe MaBe, groBe Messbereiche und lange Ubertragungsstrecken.1

Messtechnologien, die im Gegensatz zur Elektronik mit Licht als Ubertragungsmedium der physikalischen MessgroBe arbeiten, bieten hier entscheidende Vorteile. Bei den vielfaltigen Gestaltungsmoglichkeiten beim Messen mit Licht stechen vor allem die faseroptischen Sensoren (FOS) deutlich hervor. FOS nutzen entscheidende Eigenschaften sowohl von Glasfasern und von Licht:

- beide werden weder durch HF- oder Mikrowellen noch durch starke Magnetfelder beeinflusst
- beide konnen problemlos durch Hochspannungsanlagen oder Ex- Schutzbereiche gefuhrt werden
- beiden konnen aggressive Materialien nichts anhaben. Die faseroptische Temperaturmessung bietet die Chance, Temperaturen auch dort prazise zu messen, wo dies bisher noch nicht moglich war2

1.2. Zielsetzung

In der vorliegenden Arbeit konzentrieren wir uns auf die Temperaturmessung mit faseroptischen Sensoren fur einen Messpunkt. Ziel hierbei ist es, den aktuellen Stand der Technik in diesem Bereich festzustellen, die grundsatzliche Funktion zu verdeutlichen und einen Uberblick uber die Haupanwendungsgebiete zu verschaffen. Wobei wir uns auch damit befassen, wann und warum es sinnvoll ist FOS in der Temperaturmessung einzusetzen.

Zudem wird eine Ubersicht uber die aktuelle Marktsituation mit denn wichtigsten Eckdaten erstellt und aufgezeigt welche Rolle faseroptische Sensoren in der Zukunft bei der Temperaturermittlung haben werden.

2. Faseroptische Sensoren

2.1. Prinzipien

Moderne Glasfasersensoren ermoglichen es, bei Abmessungen von wenigen Mikrometern, geometrische Veranderungen im Bereich von wenigen zehntel Nanometern zu messen. Dies gewahrleistet eine hochauflosende Messung geometrischer Schichtvariationen.

In Lichtwellenleitern wird das Licht durch Totalreflexion gefuhrt, d.h. dass das in die Faser eingekoppelte Licht einer Lichtquelle im Faserkern gefuhrt wird (dessen Brechzahl sich von dem des Fasermantels unterscheidet). Ein optischer Effekt moduliert das Licht in Abhangigkeit der zu erfassenden MessgroBe im eigentlichen Sensorelement; dies geschieht intrinsisch (das Licht wird innerhalb des Lichtwellenleiters moduliert) oder extrinsisch (das Licht verlasst den Wellenleiter, wird auBerhalb moduliert und tritt wieder in einen Lichtwellenleiter ein) und reflektierend (moduliertes Licht wird im gleichen Lichtwellenleiter zuruckgefuhrt) oder transmittierend (moduliertes Licht wird in getrennten Lichtwellenleiter weitergeleitet). FOS werden nach Art ihrer Lichtmodulation in intensitats-, amplituden-, frequenz-, wellenlangen-, phasen- und polarisationsmodulierend unterteilt. Die meisten kommerziell erhaltlichen Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Intensitatsmodulation. Diese hat jedoch den Nachteil, dass keine strecken- neutralen Messungen ohne Referenzfaser moglich sind. Die Ausnutzung polarisationsmodulierender Effekte ist im Allgemeinen ebenfalls schwierig, da bestenfalls Monomodefasern das Messsignal polarisationserhaltend ubertragen konnen. In der optischen Messtechnik ist Phasenmodulation, abgesehen vom Ausnutzen des optischen Gangunterschieds (Interferenzmessungen), eher unublich, weil die direkte Detektion von Phasenlagen mit sehr groBem messtechnischen Aufwand verbunden ist. Die Frequenzmodulation hingegen besitzt bezuglich der Signalubertragung den Vorteil der Streckenneutralitat und kommt mit einer vergleichsweise einfachen Messoptik und somit kostengunstigen Technik aus.3

2.2. Struktureller Aufbau faseroptischer Sensoren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Struktureller Aufbau von FOS

Das Prinzip eines FOS beruht darauf, dass Licht durch eine optische Faser gefuhrt wird. Diese Licht wird durch die zu messende physikalische GroBe moduliert. Bei einer direkten Wechselwirkung von MessgoBe und Fasereigenschaft spricht man von intrinsischen Sensoren. Bei extrinsischen Sensoren dient die Faser zur Weiterleitung einer extern verursachten Modulation.

2.3. Der Fabry-Perot-Sensor

2.3.1. Prinzipielle Wirkungsweise des FPS

FOS nach dem Fabry-Perot-Prinzip arbeiten als optische Resonatoren und ermoglichen so die Detektion kleinster Messwertanderungen. Ein Fabry-Perot- Interferometer besteht aus zwei planparallelen Spiegeln (S1, S2), die sich in einem definierten optisch wirksamen Abstand, der sog. Resonatorlange dopt, befinden. Die Resonatorlange dopt = n^dgeom ist das Produkt aus dem geometrischen Abstand dgeom und der optischen Brechzahl n des von den Spiegeln begrenzten Mediums. Eine durch die MessgroBe hervorgerufene Anderung der Resonatorlange bzw. der Brechzahl, fuhrt zur Anderung des fur den Resonator charakteristischen Lichtspektrums.

Das von einer breitbandigen Quelle emittierte Licht wird mittels Linsen in eine Multimode- Lichtleitfaser eingekoppelt und durch diese zum Fabry-Perot-Resonator geleitet, in welchem es zwischen den beiden Spiegelflachen in Resonanz tritt und beim Auskoppeln aus dem Resonator interferiert. Die messgroBenspezifische Anderung wird dem Licht aufmoduliert, das uber ein Spektrometer in einer Messelektronik ausgewertet wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbauprinzip eines Fabry-Perot-Sensors4

Die obige Abbildung zeigt das Aufbauprinzip eines Fabry-Perot-Sensors: n = Brechzahl, dgeom = geometrischer Spiegelabstand, S1 und S2 = planparallele teildurchlassige Spiegel, I = Lichtstrom

2.3.2. Stand der Technik bei faseroptischen Fabry - Perot - Sensoren

Anfang der 80er Jahre werden erstmals FOS mit interferometrischer Auswertung vorgestellt. Dabei handelte es sich zunachst um Monosensoren, d.h. um Sensoren zur Erfassung nur einer physikalischen oder chemischen GroBe. Durch geometrische Verschiebung ist eine Messung von Dehnung, Verformung, Druck und Temperatur moglich. Dabei ist der Betrieb des Sensors sowohl in Reflexion als auch in Transmission moglich. Erste Multisensoren wurden 1997 im LabormaBstab entwickelt.

Abbildung 3 gibt einen Uberblick uber die moglichen Bauprinzipien faseroptischer Mono- und Multisensoren in Transmission und Reflexion.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Mogliche Aufbauprinzipien faseroptische Fabry - Perot - Sensoren5

2.3.3. FPS als Temperatursensor

Bei den Temperatursensoren sind zwei Fasern mit glatter Endflache in einem Glasrohrchen montiert, welche den Resonator bilden. Das Material einer Faser besitzt einen hohen Warmeausdehnungskoeffizienten, die andere ist eine Standartfaser. Steigt die Temperatur, dehnt sich die thermisch- sensitive Faser aus, wodurch sich die kalibrierte Resonatorlange verringert. Diese Langenanderung wird von einem Auslesegerat in einen Temperaturwert umgerechnet.

2.3.4. Anwendungsbeispiel Holztrocknung mit FPS

Bei der Holztrocknung und der Sanierung von Holzkonstruktionen in alten Gebauden werden die Teile in eingebautem Zustand segmentweise durch Mikrowellen thermisch behandelt. Die Arbeitstemperatur liegt dabei zwischen 80 bis 95°C. Diese Temperatur ist ausreichend, um den Hausschwammbefall wirksam zu bekampfen und gleichzeitig eine thermische Beschadigung des Materials zu verhindern. Die Kontrolle der Kerntemperatur des Holzes erfolgt durch eine faseroptische Sonde in einer Bohrung im Holz.6

[...]


1 Vgl:

http://www.micronor-ag.ch/deutsch/Micronors_Best/thumbnails/Bericht%20Thermometer.pdf; eingesehen am 12.04.2010; 11:54 Uhr

2 Vgl.: http://www.polytec.com/ger/_files/PH_DS_FO-Temp_2007_06_D.pdf; eingesehen am 12.04.2010; 13:04 Uhr

3 Vgl.: http://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-5104/meininger.pdf; eingesehen am 23.04.2010; 12:14 Uhr

4 Abbildungsquelle: http://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate- 5104/meininger.pdf; eingesehen am 24.04.2010; 10:30 Uhr

5 Abbildungsquelle: http://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate- 5104/meininger.pdf; eingesehen am 24.04.2010; 11:17 Uhr

6 Vgl.: http://www.micronor-ag.ch/deutsch/Micronors_Best/thumbnails/Bericht%20Thermometer.pdf, eingesehen am 12.05.2010;12:08 Uhr

Details

Seiten
41
Jahr
2010
ISBN (eBook)
9783640721276
ISBN (Buch)
9783640721733
Dateigröße
1002 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v159320
Institution / Hochschule
Hochschule Heilbronn; Künzelsau
Note
1,7
Schlagworte
Temperaturmessung Temperatursensoren Messpunkt

Autor

Teilen

Zurück

Titel: Temperaturmessung mit faseroptischen Temperatursensoren für einen Messpunkt