DE102009046723A1

DE102009046723A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers

Info

Publication number: DE102009046723A1
Application number: DE102009046723A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Apelsmeier; Ralph R.E. Dipl.-Ing. Trautner; Mikhail Prof. Dr. Chamonine; Bernhard Prof. Dr.-Ing. Schmauß
Original assignee: Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg (OTH Regensburg)
Current assignee: Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg (OTH Regensburg)
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Eine Auslesevorrichtung (1) für einen spektral selektiven Messaufnehmer (5) verfügt über eine Lichtquelle (2) und einen Lichtdetektor (8). Die Temperatur des Messaufnehmers (5) wird anhand der durch den Messaufnehmer (5) transmittierten Intensität bestimmt. Um den Einfluss von Koppelverlusten zu eliminieren, wird die Temperatur der Lichtquelle (2) variiert. Dadurch ergibt sich eine von Schwankungen der Koppelverluste freie Kennlinie für die Temperaturmessung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers, der in einer Lichtleiteranordnung ausgebildet ist, mit:

– einer an die Lichtleiteranordnung angeschlossenen Lichtquelle, durch die dem Messaufnehmer Licht zuführbar ist, und
– einen an die Lichtleiteranordnung angeschlossenen Lichtdetektor, durch den vom Messaufnehmer spektral selektiertes Licht detektierbar ist und durch den ein der Intensität des detektierten Lichts entsprechendes Detektorsignal erzeugbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der US 47 03 175 bekannt. Die bekannte Vorrichtung verfügt über zwei Lichtquellen, die Licht in unterschiedlichen Frequenzbereichen aussenden. Die Lichtquellen sind über einen ersten Lichtleiter an einen Faserkoppler angeschlossen. An den Faserkoppler ist ferner ein zweiter Lichtleiter angeschlossen, der zu einem Messaufnehmer führt. Der Messaufnehmer weist ein Halbleitermaterial auf, das mit dem Licht aus den beiden Lichtquellen beaufschlagbar ist. Das von dem Halbleitermaterial transmittierte Licht wird über eine dritte Lichtleitfaser zu einem Detektor geführt. Die Vorrichtung ist ferner mit einer Referenzstrecke ausgestattet, die von einem vierten Lichtleiter gebildet ist, der vom Faserkoppler zu einem weiteren Detektor führt.
Die beiden Lichtquellen werden so gesteuert, dass der Messaufnehmer und die Referenzstrecke jeweils abwechselnd mit Licht aus einer der beiden Lichtquellen beaufschlagt werden.
In einem Messzyklus werden somit vier Messwerte aufgenommen. Aus diesen Messwerten kann die Transmission durch den Messaufnehmer unabhängig von Schwankungen der Kopplung zwischen den Komponenten sowie unabhängig von Schwankungen der Intensität des von den Lichtquellen emittierten Lichts bestimmt werden. Da die Transmission durch den Messaufnehmer eine Funktion der Temperatur ist, kann auf diese Weise die Temperatur am Ort des Messaufnehmers bestimmt werden.
Bei der bekannten Vorrichtung handelt es sich um ein faseroptisches Messsystem, das sich insbesondere zur Temperaturüberwachung in der Gegenwart starker elektromagnetischer Felder eignet.
Derzeit kommen derartige faseroptische Systeme jedoch nur in seltenen Fällen zum Einsatz. Dies liegt insbesondere an der Komplexität der faseroptischen Messvorrichtungen und den damit verbundenen hohen Herstellungskosten. In der Regel sind andere Arten von Temperatursensoren billiger in der Herstellung und werden trotz zahlreicher Nachteile faseroptischen Messvorrichtungen vorgezogen.
So wird auch die Temperaturüberwachung von Leistungstransformatoren derzeit ohne den Einsatz faseroptischer Messvorrichtungen durchgeführt. Insbesondere werden gewöhnliche Temperatursensoren an Stellen mit geringer elektromagnetischer Belastung angeordnet. Auf der Grundlage einer thermischen Analyse des gesamten Leistungstransformators wird dann auf die Temperatur in besonders kritischen Bereichen, den sogenannten ”Hot Spots” geschlossen [1]. Hintergrund für die Temperaturüberwachung der Leistungstransformatoren ist der harte Konkurrenzkampf unter den Energieversorgungsunternehmen, die zur Steigerung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit die Leistungstransformatoren an der Leistungsgrenze betreiben.
Damit die Aufrechterhaltung der Energieversorgung sichergestellt werden kann, müssen die wichtigsten Parameter der Transformatoren überwacht werden, wozu die Temperatur zählt. Durch die Überwachung dieser Parameter bekommt man einen Einblick in die momentane Belastung und kann Aussagen bezüglich der Alterung treffen [2]. Unter Verwendung der Motsinger Gleichung kann man sogar auf die quantitative Alterungsrate schließen: eine Erhöhung der Temperatur heißer Bereiche um 6°C führt bei einer Betriebstemperatur von 98°C zu einer Verdopplung der Alterungsrate [3]. Auf Basis dieser Daten kann schließlich der wirtschaftlichste Betriebszustand gewählt oder gar ein Totalausfall verhindert werden [2].
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache, für die Großserienherstellung geeignete Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches Verfahren zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers zu schaffen, das für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet ist.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren wird jeweils eine Lichtquelle verwendet, deren Emissionsspektrum von einem kontinuierlich einstellbaren Betriebsparameter der Lichtquelle abhängt. Ferner wird eine Auswerteeinheit verwendet, die bei verschiedenen Einstellungen des Betriebsparameters der Lichtquelle Messwerte bestimmt, die für die Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts charakteristisch sind. Die Messwerte werden nach der Messung jeweils zwischengespeichert. Aus den gespeicherten Messwerten kann dann eine Auswerteeinheit ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von einem Verhältnis der bei verschiedenen Betriebsparameterwerten der Lichtquelle bestimmten Messwerte erzeugen. Bei dieser Vorrichtung und diesem Verfahren wird die Abhängigkeit des Emissionsspektrums vom jeweiligen Betriebsparameterwert dazu verwendet, die Kopplungsverluste zu eliminieren. Derartige Betriebsparameter der Lichtquelle können in der Regel eingestellt werden, indem eine elektrische Größe wie Spannung oder Strom an die Lichtquelle angelegt werden. Die zur Einstellung der Lichtquelle erforderlichen Größen können durch einfache digitale oder analoge Bauteile überwacht und eingestellt werden. Insofern sind für die Vorrichtung und das Verfahren insgesamt nur einfache Bauteile erforderlich, die in großen Stückzahlen hergestellt werden und allgemein erhältlich sind. Insofern eignet sich die Vorrichtung für die Großserienherstellung und die Anwendung in zahlreichen Anwendungsfällen.
Bei einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, einen Messaufnehmer mit einem spektral stufenförmigen Transmissionsprofil auszulesen, dessen spektrale Lage von der Temperatur des Messaufnehmers abhängt. Ein derartiger Messaufnehmer kann beispielsweise von einem halbleitenden Material gebildet sein, dessen Transmissionsprofil eine Absorptionskante aufweist, deren spektrale Lage von der Temperatur des Halbleiterkristalls abhängt. In diesem Fall kann die Temperaturmessung durch eine reine Intensitätsmessung bewerkstelligt werden. Dabei wird insbesondere die Intensität des durch den Halbleiterkristall transmittierten Lichts erfasst.
Dementsprechend ist die Vorrichtung zum Anschluss an einem zum Messaufnehmer führenden Lichtleiter und einen weiteren vom Messaufnehmer zur Vorrichtung zurück führenden Lichtleiter eingerichtet. Der von der Vorrichtung zum Messaufnehmer führende Lichtleiter ist mit Licht aus der Lichtquelle der Vorrichtung beaufschlagbar, während der vom Messaufnehmer zur Vorrichtung zurück führende Lichtleiter das durch den Messaufnehmer transmittierte Licht zum Detektor führt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Betriebstemperatur der Lichtquelle der Betriebsparameter, von dem das Emissionsspektrum abhängt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Temperaturgang der Lichtquelle dazu verwendet, die Kopplungsverluste zu eliminieren. Die Betriebstemperatur der Lichtquelle lässt sich aber mit einfachen Bauelementen überwachen. Insofern sind für die Vorrichtung und das Verfahren insgesamt nur Komponenten für eine Intensitätsmessung und eine Temperatursteuerung erforderlich. Die dafür erforderlichen Bauelemente werden in großen Stückzahlen hergestellt und sind allgemein erhältlich. Insofern eignet sich die Vorrichtung für die Großserienherstellung und die Anwendung in zahlreichen Anwendungsfällen.
Die Betriebstemperatur der Lichtquelle kann insbesondere mithilfe einer Heizvorrichtung eingestellt werden. Damit kann die Temperatur der Lichtquelle unabhängig von der Umgebungstemperatur auf vorgegebene Werte gebracht werden.
Insbesondere ist es möglich, die Betriebstemperatur der Lichtquelle mithilfe der Heizvorrichtung und eines weiteren Temperatursensors auf einen vorgegebenen Temperaturwert zu regeln.
In einer möglichen Ausführungsform hängt der von der Auswerteeinheit bestimmte, von dem jeweiligen Betriebsparameterwert der Lichtquelle abhängige Messwert vom Detektorsignal ab, das seinerseits von der Intensität des jeweils durch den Messaufnehmer transmittierten Lichts abhängt.
Daneben ist es möglich, die Lichtleistung der Lichtquelle mithilfe einer Regelschleife auf ein konstantes Detektorsignal des Detektors zu regeln. Dies bietet den Vorteil, dass das Verhältnis des Detektorsignals zum Rauschsignal des Detektors, das beispielsweise durch den Dunkelstrom einer verwendeten Photodiode hervorgerufen wird, stets konstant bleibt.
In diesem Fall kann das innerhalb der Regelschleife verwendete Steuersignal für die Lichtquelle als Messwert verwendet werden.
Daneben ist es auch möglich, als Messwert ein Detektorsignal eines weiteren Detektors zu verwenden, der die Lichtleistung der Lichtquelle überwacht.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtquelle in wechselnden Betriebszuständen mit unterschiedlicher Intensität des emittierten Lichts betrieben. Dabei nimmt die Lichtquelle unterschiedliche Betriebstemperaturen an. Während sich die Lichtquelle in Betriebszuständen mit unterschiedlicher Intensität des emittierten Lichts befindet, können einzelne Messwerte oder Reihen von Messwerten aufgenommen werden, aus denen dann das Ausgangssignal bestimmt wird. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Messwerte auch im nicht-stationären Zustand aufgenommen werden können, so dass die Messfrequenz erhöht werden kann.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers;
2 Diagramme, die die Abhängigkeit des spektralen Transmissionsverhaltens eines Prismas aus InP:Fe in Abhängigkeit von der Temperatur des Prismas zeigen;
3 ein Diagramm, in das verschiedene, für die Funktion der für die Vorrichtung aus 1 relevanten Spektren eingetragen sind;
4 Diagramme, die die Temperaturabhängigkeit der spektralen Leistungsdichte und der Emissionsleistung einer Leuchtdiode (LD 242-2) zeigen;
5 die Änderung der Spektren aus 3 in Abhängigkeit von der Temperatur;
6 Diagramme mit verschiedenen Kennlinien der Vorrichtung aus 1;
7 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers;
8 Diagramme mit Kennlinien der Vorrichtung aus 7;
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers;
10 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals der Vorrichtung aus 9 bei einer Betriebstemperatur von 23,7°C;
11 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals der Vorrichtung aus 9 bei einer Betriebstemperatur von 150°C;
12 Diagramme mit Kennlinien der Vorrichtung aus 9;
13 die Explosionsansicht und eine Ansicht im zusammengebauten Zustand einer Vorrichtung gemäß einer der 1, 7 und 9.
14 weitere Diagramme mit Kennlinien einer Vorrichtung gemäß 9; und
1 zeigt eine Auslesevorrichtung 1, die eine Leuchtdiode 2 aufweist. Die Leuchtdiode 2 wird mithilfe einer Stromquelle 3 mit Energie versorgt. Die Leuchtdiode 2 ist ferner an einen Lichtleiter 4 angeschlossen, der zu einem Messaufnehmer 5 führt. Der Messaufnehmer 5 ist im Wesentlichen von einem Halbleiterkristall 6 gebildet.
Mit Hilfe der Leuchtdiode 2 wird die optische Leistung im Spektralbereich einer Absorptionskante des Halbleiterkristalls 6 in den Lichtleiter 4 eingekoppelt. Der Lichtleiter 4 führt das Licht direkt zum Halbleiterkristall 6, bei dem sich die Absorptionskante in Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Folglich werden spektrale Leistungsanteile in einem Wellenlängenbereich oberhalb der Absorptionskante transmittiert, während der restliche Anteil im Halbleiterkristall 6 absorbiert wird. Die transmittierte Lichtleistung wird durch Reflexionen im prismenförmig ausgebildeten Halbleiterkristall 6 in einen rückführenden Lichtleiter 7 eingekoppelt und mittels einer Photodiode 8 detektiert. Bei konstantem Emissionsspektrum der Leuchtdiode 2 und gleichbleibenden Verlusten in den Lichtleitern 4 und 7 ist die transmittierte Intensität direkt von der Lage der Absorptionskante abhängig und somit ein Maß für die Temperatur am Ort des Messaufnehmers 5.
Die Photodiode 8 wandelt das einfallende Licht in ein Detektorsignal 9, das einer Messschaltung 10 zugeführt wird. Die Messschaltung 10, bei der es sich beispielsweise um einen Transimpedanzverstärker handeln kann, erzeugt aus den Detektorsignalen 9 ein Messsignal 11, das einer Steuereinheit 12 zugeführt wird. Die Steuereinheit 12, bei der es sich beispielsweise um einen Rechner oder Mikroprozessor handeln kann, verfügt über eine Speichereinheit 13, in der die Messwerte gespeichert werden können. Aus den in der Speichereinheit 13 gespeicherten Messwerten erzeugt die Steuereinheit 12 schließlich ein Ausgangssignal 14. Ferner ist die Steuereinheit 12 dazu eingerichtet, mithilfe von Steuersignalen 15 eine Heizvorrichtung 16 zu steuern und die Funktion der Heizvorrichtung 16, insbesondere die Betriebstemperatur der Leuchtdiode 2 mithilfe eines Temperatursensors 17 zu überwachen. Zu diesem Zweck wertet die Steuereinheit 12 ein von dem Temperatursensor 17 erzeugtes Sensorsignal 18 aus.
Die Auslesevorrichtung 1 und der Messaufnehmer 5 bilden zusammen eine Messvorrichtung 19, mit der sich die Temperatur am Ort des Messaufnehmers 5 bestimmen lässt.
2 zeigt Diagramme, in denen die Abhängigkeit eines Transmissionsprofils von der Temperatur dargestellt ist. Insbesondere sind Transmissionsprofile 20 im Temperaturbereich von –50°C bis 150°C in Schritten von 10°C für einen Halbleiterkristall aus InP:Fe dargestellt. Ein weiteres Diagramm in 2 zeigt die Abhängigkeit der Grenzwellenlänge λ_g von der Temperatur des Halbleiterkristalls.
In 3 ist das Messprinzip der in 1 dargestellten Messvorrichtung anhand verschiedener Spektren veranschaulicht. Dabei sind jeweils normierte Spektren aufgetragen. Außerdem wird angenommen, dass die Variation der optischen Transmission der Lichtleiter 4 und 7 im dargestellten Spektralbereich vernachlässigbar ist. Im Einzelnen sind das Transmissionsprofil 20 des Halbleiterkristalls 6, ein Emissionsspektrum 21 der Leuchtdiode 2 und eine spektrale Empfindlichkeit 22 der Photodiode 8 dargestellt. Die Intensität des von der Photodiode 8 empfangenen Lichts ist dann entsprechend einem effektiven Spektrum 23 spektral verteilt. Der Photostrom der Photodiode 8 ist dann gleich dem Integral über das effektive Spektrum 23.
Die Verschiebung der Absorptionskante des Halbleiterkristalls 6 mit der Temperatur bewirkt eine Verschiebung der spektralen Lage des Transmissionsprofils 20 und hat eine direkte Änderung des effektiven Spektrums 23 zu Folge. Die Fläche unter dem effektiven Spektrum 23 ist somit ein Maß für die Temperatur des Halbleiters 6.
Da die Temperaturmessung anhand einer reinen Intensitätsmessung erfolgt, gehen unerwünschte Verluste im optischen Kanal direkt in das Ausgangssignal 14 ein, weshalb bei einer Langzeitdrift oder einer schlagartigen Änderung eine Neukalibrierung der Auslesevorrichtung 1 nötig ist.
Anhand 1 können insbesondere folgende Verlustmechanismen abgeleitet werden:

– Einkoppelverluste beim Übergang von der Leuchtdiode 2 in den Lichtleiter 4
– Dämpfungen in den Lichtleitern 4 und 7 in Abhängigkeit von Länge und Biegung
– Reflexionen beim Übergang von dem Lichtleiter 4 zum Halbleiterkristall 6 und beim Übergang vom Halbleiterkristall 6 in den Lichtleiter 7
– Verluste bei Reflexionen im prismaförmigen Halbleiterkristall 6 aufgrund unzureichender Totalreflexion
– Auskoppelverluste beim Übergang vom Lichtleiter 4 in die Photodiode 8.

Da sich die angeführten Verlustmechanismen auch auf das effektive Spektrum 23 auswirken, haben diese auch direkten Einfluss auf das Ausgangssignal 14. Deshalb bedarf es eines Kompensationsverfahrens, mit dem die Faserverluste von der Kristallabsorption unterschieden werden können.
Die Verluste können auch durch die Auswahl der Komponenten beeinflusst werden. Beispielsweise ist es von Vorteil, wenn die Leuchtdiode 2 ein Emissionsmaximum im Bereich der Absorptionskante des Halbleiterkristalls 6 aufweist und wenn die Strahlcharakteristik der Leuchtdiode eine möglichst gut Einkopplung des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichts in den Lichtwellenleiter 4 ermöglicht, der verschiedene Moden aufweist. Die Lichtwellenleiter 4 und 7 sollten ferner eine geringer Faserdämpfung, minimale Biegeverluste und für möglichst wenig Reflexionen polierte Enden aufweisen. Auch der prismenförmige Halbleiterkristall 6 sollte polierte Flächen für möglichst geringe Reflexion bei senkrechtem Lichteinfall und für die Reflexion im Inneren aufweisen. Die Photodiode 8 schließlich sollte nach Möglichkeit ein Maximum der spektralen Empfindlichkeit im Bereich des Emissionsmaximums der Leuchtdiode 2 aufweisen. Ferner sollte die Photodiode 8 möglichst gut an den Lichtwellenleiter 7 angekoppelt sein und über einen geringen Dunkelstrom und eine hohe Empfindlichkeit. verfügen.
Um einen Langzeitbetrieb der Messvorrichtung 1 ohne Rekalibrierung zu gewährleisten, ist es nötig, dass das Ausgangssignal 14 unabhängig gegenüber den oben aufgelisteten Verlustmechanismen ist.
Dies wird durch das nachfolgend näher beschriebene Verfahren bewerkstelligt, durch das die Verluste in den Lichtleitern 4 und 7 und die Ein- und Auskoppelverluste der Lichtleiter 4 und 7 kompensiert werden.
Ausgangspunkt dafür bildet die spektrale Leistungsdichte der Sendediode dP_LED(λ)/dλ in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Beim Einkoppeln in den Lichtleiter 4 erfährt diese bereits einen Verlust d_ein(λ), der ebenfalls von λ abhängen kann. Nun kann man für die Faser- und Biegeverluste einen effektiven Verlustfaktor definieren: d_h(λ) := d_f·d_b(λ) (1)
Für den prismaförmigen Halbleiterkristall 6 aus InP lässt sich das Transmissionsverhalten durch die Funktion t_InP(λ) beschreiben. Für den rückführenden Lichtleiter 7 kann die Dämpfung analog zu d_h(λ) mit d_r(λ) festgelegt werden. Dem müssen jetzt nur noch die Auskoppelverluste mit dem Faktor d_aus(λ) hinzugefügt werden und man erhält die an der Photodiode 8 detektierbare, spektrale Leistungsdichte dP_Phd(λ)/dλ zu
Der Photostrom I_L kann nun direkt in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Leistung P_in über die Empfindlichkeit R mit der Gleichung I_L = R·P_in (3) ausgedrückt werden, wobei das nur für eine einzige Wellenlänge gültig ist. Unter Verwendung dieser Beziehung kann der Photostrom I_L durch
über die von der Wellenlänge abhängige Empfindlichkeit R(λ) berechnet werden. Als nächster Schritt soll die Umgebungstemperatur T_B der Leuchtdiode 2 und die Temperatur T_S des Halbleiterkristalls 6 mit in das Modell aufgenommen werden. Dadurch wird mit der Zusammenfassung der Faserverluste und der Ein- und Auskoppelverluste der Photostrom zu
Anhand von Gleichung (5) lässt sich erkennen, dass der Photostrom eine Funktion der Umgebungstemperatur T_B der Leuchtdiode 2 und der Temperatur T_S des Halbleiterkristalls 6 darstellt. Die Wellenlänge λ_P des Maximums des Emissionsprofils 21 und somit die spektrale Lage des Emissionsspektrums 21 der Leuchtdiode 2 hängt von der Temperatur ab. Bei einer Leuchtdiode 2 aus GaAs tritt im Umgebungstemperaturbereich zwischen 20°C und 80°C eine Veränderung des Bandabstandes von ΔE_g = –5.1·10^–4 eV·K^–1 auf. Das entspricht bei einer Wellenlänge von λ = 950 nm einem Versatz von Δλ_P = 0.37 nm·K^–1. Demzufolge kann die Wellenlänge λ_P der Leuchtdiode 2 im oben genannten Temperaturbereich um circa 22 nm mit Hilfe der Umgebungstemperatur T_B, welche im stationären Zustand der Temperatur der Leuchtdiode 2 entspricht, variiert werden.
Setzt man nun voraus, dass die Verlustfaktoren d_K(λ) und d_fas(λ) im relevanten Bereich unabhängig von der Wellenlänge sind und zu d_K und d_fas werden, können diese in Gleichung (5) vor das Integral gezogen werden und es ergibt sich
Wird die Leuchtdiode 2 bei zwei verschiedenen Umgebungstemperaturen T_B1 und T_B2 betrieben, kann das Verhältnis aus den beiden Strömen entsprechend Gleichung (6) gebildet werden. Dadurch verschwinden die Verlustfaktoren vor dem Integral und es bleibt
Dieser Ausdruck ist nur noch eine Funktion der Temperatur T_S des Halbleiterkristalls 6 und ist unabhängig von den Dämpfungsverlusten. Also kann die Messvorrichtung 19 für dieses Verhältnis kalibriert und jedem Wert von
ein Temperaturwert T_S zugeordnet werden.
Im Folgenden gelten die Definitionen
wobei die Indizes 1/2 bei R für T_B1 und T_B2 stehen.
Für die Bildung dieses Verhältnisses sind also zwei Messwerte des Photostroms nötig. Wie oben bereits erklärt, müssen diese bei den verschiedenen Umgebungstemperaturen T_B1 und T_B2 aufgezeichnet werden. Dazu muss die Temperatur der Leuchtdiode 2 auf die beiden Sollwerte eingeregelt und ein Wert für den Photostrom aufgezeichnet werden. Hierbei handelt es sich um thermische Vorgänge, die im Minutenbereich ablaufen. Dementsprechend können Messungen im Abstand von Minuten aufgenommen werden. Während der Aufnahme eines Messwertpaares zur Verhältnisbildung darf ferner keine Temperaturänderung ΔT_S am Messaufnehmer 5 auftreten. Da die Messvorrichtung 19 für den Einsatz im Bereich der Leistungstransformatoren konzipiert wird, bei denen thermische Zeitkonstanten im Stundenbereich auftreten, ist diese Bedingung im Allgemeinen erfüllt.
Damit jedem Wert R_1/2(T_S) eindeutig ein Temperaturwert T_S zugeordnet werden kann, muss es sich um eine streng monoton steigende oder fallende Funktion handeln. Die oben getroffene Näherung, dass die Verlustfaktoren d_K(λ) und d_fas(λ) im relevanten Wellenlängenbereich konstant sind, kann in der Realität nicht erfüllt werden. Es kann jedoch in der Regel davon ausgegangen werden, dass bezüglich der Faserdämpfung in Abhängigkeit von der Wellenlänge keine großen Schwankungen auftreten.
Ein weiterer zu erwähnender Punkt bezüglich der Langzeitstabilität des Kompensationsprinzips ist, dass nach Möglichkeit keine spektralen Veränderungen der Emissions-, Übertragungs- bzw. Dämpfungseigenschaften aller beteiligten Komponenten auftreten dürfen. Wie man aus Gleichung (7) erkennen kann, ist jede Größe von der Wellenlänge abhängig. Weil sich die Leistungsdichte der Leuchtdiode 2 im Zähler in einem anderen Wellenlängenbereich bewegt als im Nenner, kann es sein, dass sich Zähler und Nenner durch spektrale Verschiebungen um verschiedene Faktoren ändern. Es kann also nicht unterschieden werden, ob es sich um eine thermische Änderung der Absorptionskante des Halbleiterkristalls 6 handelt oder ob sich eine andere Komponente, beispielsweise der Lichtleiter 4 oder 7, spektral verändert. Deshalb führen alle Driftvorgänge der spektralen Verhältnisse bis auf die Temperaturdrift des Messaufnehmers 5 zu Abweichungen von der Kalibrierung.
Schließlich ist anzumerken, dass die Leuchtdiode 2 bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel stets mit gleichem Strom versorgt wird, so dass die emittierte optische Leistung konstant ist. Folglich ist die detektierte Leistung an der Photodiode 8 nur vom Transmissionsverhalten des Halbleiterkristalls 6 und von den parasitären Verlusten abhängig.
Anhand von 5 wird das Kompensationsverfahren nochmals veranschaulicht. Alle gestrichelten Kurven stellen die normierten Spektren bei einer Temperatur T_B1 der Auslesevorrichtung 1 dar, wobei die durchgezogenen Kurven einer Temperatur T_B2 der Auslesevorrichtung 1 entsprechen. Ferner sind in 5 Dämpfungskurven A und B eingezeichnet. Die Dämpfungskurve A steht für einen entsprechend Definition (9) verwendeten Dämpfungsfaktor d = 0.8 und Dämpfungskurve B für einen Dämpfungsfaktor d = 0.7. Entsprechend der Zuordnung zu den verschiedenen Dämpfungsniveaus sind auch die effektiven Spektren 23 mit A und B gekennzeichnet.
Es sei angemerkt, dass sich nicht nur das Emissionsspektrum 21, sondern auch die spektrale Empfindlichkeit 22 verschiebt, da die Änderungen der Temperatur der Leuchtdiode 2 im Allgemeinen auch eine Änderung der Temperatur der Photodiode 8 bedingt, da die Photodiode 8 in der Regel in der Nähe der Leuchtdiode 2 angeordnet sein wird.
Nach Gleichung (5) können nun die Flächen unter den Kurven für jeden Dämpfungsfaktor d und jede Blocktemperatur T_B numerisch ermittelt werden. Für d = 0.7 erhält man R_1/2 = 178.77/112.61 = 1.59 und bei d = 0.8 nimmt das Verhältnis den Wert R_1/2 = 204.31/128.74 = 1.59 an. Folglich ist das Verhältnis unabhängig vom Dämpfungsfaktor d, was jedoch nur für die oben genannten Bedingungen gilt.
Der Verlauf einer Kennlinie 24 des Ausgangssignals 14 ergibt sich aus der Zusammensetzung der Spektren entsprechend 3 und 5. Je höher die Temperatur T_S des Halbleiterkristalls 6 ist, desto geringer ist die Überlappung des Emissionsspektrums 21 mit dem Transmissionsprofil 20 des Messaufnehmers 5. Folglich nimmt auch das Ausgangssignal 14 ab, welches ein Maß für das Integral über das effektive Spektrum 23 ist. Dadurch kann die negative Steigung der in 6 dargestellten Kennlinie 24 erklärt werden. Die Kennlinien 24 geben die Werte U_aus des Messsignals 11 für verschiedene Temperaturen T_B der Leuchtdiode 2 wieder.
Auffällig ist, dass die negative Steigung der Kennlinie 24 bei höheren Temperaturen geringer wird. Die Verschiebung der Absorptionskante des Halbleiterkristalls 6 erfolgt annähernd linear mit der Temperatur. Die Absorptionskante des Halbleiterkristalls 6 bewegt sich aber bei geringen Temperaturen in Bereichen hoher Leistungsdichte des Emissionsspektrums 21 der Leuchtdiode 2, wobei bei hohen Temperaturen das Gegenteil zutrifft. Daher tritt bei gleichem ΔT_S bei niedriger Temperatur des Messaufnehmers 5 eine große Intensitätsänderung und bei hoher Temperatur des Messaufnehmers 5 eine kleine Intensitätsänderung auf. Die Empfindlichkeit der Messvorrichtung 19 nimmt also mit höherer Temperatur ab.
Grundsätzlich ist es möglich, die detektierte Spannung U_aus über die Kennlinie 24 direkt in einen Temperaturwert umzurechnen. Dieser Temperaturwert beruht auf einer einmaligen Kalibrierung, wobei keine Möglichkeit zur Überprüfung auf Plausibilität besteht. Demnach führen eine alterungsbedingte Zunahme der Faserdämpfung oder höhere Biegeverluste der Lichtleiter 4 und 7 zur Ausgabe von falschen Temperaturwerten.
6 zeigt ferner Kennlinien 25 des Verhältnisses R_1/2, die verschiedenen Temperaturverhältnissen zugeordnet sind. Anhand 6 ist erkennbar, dass die Kennlinien 25 monoton ansteigende Funktionen sind, die eine Bestimmung der Temperatur anhand des gemessenen Verhältnisses R_1/2 zulassen.
In diesem Fall wird die Umgebungstemperatur der Leuchtdiode 2 über eine Vorrichtung auf einen konstanten Wert eingeregelt. Anschließend wird der detektierte Wert von U_aus für die Umgebungstemperatur T_B1 aufgezeichnet. Daraufhin wird die Umgebungstemperatur auf den zweiten Wert T_B2 eingeregelt und ein weiteres Mal die Leistung an der Photodiode 8 detektiert. Schließlich kann aus beiden Messwerten das Verhältnis R_1/2 gebildet werden, was ein Maß für die Temperatur T_S des Halbleiterkristalls 6 und unabhängig von den parasitären Verlusten ist. Der Nenner und Zähler des Verhältnisses R_1/2 wird also aus zwei unterschiedlichen Werten von U_aus am Ausgang der Messschaltung 10 gebildet.
Mit Hilfe dieses Verfahrens können schließlich die Sensorkennlinien 24 für unterschiedliche Werte der Umgebungstemperatur T_B ermittelt werden und deren Verhältnis entsprechend 6 gebildet werden. Wird die Auslesevorrichtung 1 bezüglich einer Kennlinie 25 von R_1/2 kalibriert, kann die jeweilige Temperatur T_S des Halbleiterkristalls 6 bestimmt werden.
Durch eine zusätzliche Photodiode inklusive Verstärker kann optional eine Überwachung der Emissionsleistung der Leuchtdiode 2 erfolgen. Folglich kann die Ausgangsspannung U_aus normiert werden und das System wird unabhängig gegenüber Schwankungen oder eine Drift im Emissionsverhalten der Leuchtdiode 2.
Ein Vorteil des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ist, dass für die Versorgung der Leuchtdiode 2 eine einfache Stromquelle 3 verwendet werden kann. Zum einen kann ein konstanter Stromwert vorgegeben werden und zum anderen spielt das transiente Verhalten der Stromquelle 3 keine Rolle, da die Stromquelle 3 stationär betrieben wird. Es besteht jedoch die Möglichkeit, die Leuchtdiode 2 auch hier im Kurzpulsbereich zu betreiben, um die allgemeine Sensorcharakteristik zu verbessern.
7 zeigt eine abgewandelte Auslesevorrichtung 26, bei der die Lichtleistung der Leuchtdiode 2 so geregelt wird, dass die Photodiode 8 ein konstantes Detektorsignal 9 ausgibt. Zu diesem Zweck vergleicht die Steuereinheit 12 das Messsignal 11 mit einem vorgegebenen Sollwert und steuert die Stromquelle 3 mithilfe eines Steuersignals 27 derart, dass unabhängig von der Temperatur der Leuchtdiode 2 das Messsignal 11 auf dem vorgegebenen Sollwert gehalten wird. Das Steuersignal 27 soll im Folgenden die Werte U_mon annehmen.
Beim der Betrieb der Auslesevorrichtung 26 wird die Umgebungstemperatur der Leuchtdiode 2 mithilfe der Heizvorrichtung 16 auf einen konstanten vorgegebenen Temperaturwert T_B1 eingeregelt und das zum Einstellen der Leuchtdiode 2 erforderliche Steuersignal 27 in der Speichereinheit 12 abgespeichert. Daraufhin wird die Umgebungstemperatur der Leuchtdiode auf einen zweiten Wert T_B2 eingeregelt und ein weiteres Mal das Steuersignal 27 abgespeichert. Anschließend kann aus dem Verhältnis der beiden Steuersignale das Verhältnis R_1/2 gebildet werden, da es ein Maß für die Temperatur T_S des Messaufnehmers 5 darstellt und unabhängig von parasitären Verlusten ist. In diesem Fall werden die Werte des Steuersignals 27 zur Bildung des Ausgangssignals 14 herangezogen.
Durch den Betrieb der Leuchtdiode 2 bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen T_B1 und T_B2, können auf Grund der bereits erläuterten Verschiebung des Emissionsspektrums 21 der Leuchtdiode 2 zwei verschiedene Werte U_mon1 und U_mon2 ermittelt werden. Daraus lässt sich schließlich das Verhältnis R_1/2 bilden:
Das Verhältnis R_1/2 wird also aus zwei unterschiedlichen Werten der emittierten Leistung P_opt der Leuchtdiode 2 gebildet.
Dieses abgewandelte Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass der Verstärkungsfaktor des als Messschaltung 10 verwendeten Transimpedanzverstärkers sehr hoch gewählt werden kann, so dass die Empfindlichkeit bei kleinen Änderungen des Photostroms besonders hoch wird. Außerdem hat der Dunkelstrom der Photodiode 8 über den ganzen Temperaturbereich von T_S die gleiche Größenordnung gegenüber dem Photostrom und Nichtlinearitäten des Transimpedanzverstärkers haben keinen Einfluss mehr.
Es sei angemerkt, dass anstelle des Steuersignals 27 auch eine in 7 nicht dargestellte weitere Überwachungsdiode dazu verwendet werden kann, die Intensität der Leuchtdiode 2 zu überwachen und einen für Gleichung (10) verwendbaren Messwert zu erzeugen, der in diesem Fall zu einem Messsignal gehört, das anhand des von der Überwachungsdiode erzeugten Detektorsignals gebildet wird.
Auf diese Weise wurden auch die in 8 dargestellten Sensorkennlinien 28 ermittelt. Aus den Sensorkennlinien ergab sich dann gemäß Gleichung (10) eine Kennlinie 30 für das Verhältnis R_1/2.
Die Kennlinienverläufe sind streng monoton ansteigend. Dies ist dadurch begründet, dass sich die Absorptionskante des Halbleiterkristalls 6 im oberen Temperaturbereich zu größeren Wellenlängen verschiebt. Folglich liegt eine geringere Überlappung des Emissionsspektrums 21 mit dem Transmissionsprofil 20 des Halbleiterkristalls 6 vor und es ist eine größere optische Leistung zum Erreichen des gleichen Messsignals 11 nötig.
Das so bestimmte Verhältnis R_1/2 entsprechend Gleichung (10) ist ebenfalls unabhängig von den parasitären Verlusten im optischen Kanal und kann für eine eindeutige Kalibrierung der Auslesevorrichtung 26 verwendet werden.
Hier ist anzumerken, dass die Leuchtdiode 2 je nach Anwendungsfall entweder im Dauerbetrieb oder im Pulsbetrieb bis hin zum Kurzpulsbereich betrieben werden kann.
In 9 ist eine weitere Auslesevorrichtung 30 dargestellt, bei der die Leuchtdiode 2 mit Strompulsen im Sekundenbereich beaufschlagt wird. Die Strompulse weisen dabei Stromstärke > 100 mA auf. Die Stromquelle 3 wird dabei mithilfe von Steuersignalen 31 von der Steuereinheit 12 gesteuert.
Es sei angemerkt, dass das Tiefpassverhalten der Messschaltung 10 bei Pulsen im Frequenzbereich in der Regel keine Rolle spielt. Trotzdem nimmt das Messsignal 11 während eines Pulses in der Regel keine konstanten Werte an, sondern zeigt das in 10 und 11 dargestellte zeitliche Verhalten. In 10 ist insbesondere der Verlauf eines Strompulses 32 und der zeitliche Verlauf des Messsignals 11 bei einer Temperatur T_S = 23,7°C des Messaufnehmers 5 und in 12 der Verlauf des Strompulses 32 und der zugehörige Verlauf des Messsignals 11 bei einer Temperatur T_S = 105,0°C des Messaufnehmers 5 dargestellt.
Eine Erklärung für dieses Verhalten ist, dass sich die Leuchtdiode 2 während der hohen Strombelastung durch die Verlustleistung aufheizt. Dadurch nimmt die Intensität der Leuchtdiode 2 entsprechend dem Faktor (dP_LED/dT_B)_norm = –0.00575 K^–1 ab und die Wellenlänge λ_P des Maximums des Emissionsprofils 21 verschiebt sich, wie in 4 dargestellt, mit der Rate von Δλ_P = 0.22 nm·K^–1 zu höheren Wellenlängen. Bei niedrigen Temperaturen der Auslesevorrichtung 30 liegt eine große Überlappung des Emissionsspektrums 21 mit dem Transmissionsprofil 20 von InP vor, wodurch die Intensitätsabnahme überwiegt. Damit ist der Pulsverlauf aus 10 bei T_S = 23.7°C erklärt. Im hohen Temperaturbereich von T_S ist die Überlappung des Emissionsspektrums 21 und des Transmissionsprofils 20 sehr klein. Folglich wirkt sich die Verschiebung des Emissionsspektrums 21 stark auf den Photostrom aus und die Ausgangsspannung nimmt während dem Strompuls 32 zu, womit der Verlauf aus 11 bei T_S = 150.0°C begründet wäre. Demnach liegt bei jeder Temperatur des Messaufnehmers 5 ein anderer Pulsverlauf vor.
Setzt man jetzt voraus, dass die Ausgangstemperatur der Leuchtdiode 2 bei jedem Strompuls 32 konstant ist und dass der Strompuls 32 selbst stets gleich verläuft, kann man die Werte U_aus des Messsignals 11 zu verschiedenen Zeitpunkten während des Strompulses 32 aufzeichnen und das Verhältnis R_1/2 = U_aus(t₁)/U_aus(t₂) bilden. Dieses Verhältnis ist durch das oben beschriebene Aufheizen der Leuchtdiode 2 äquivalent zu R_1/2 = U_aus(T_B1)/U_aus((T_B2) und für das Kompensationsprinzip geeignet. Daraus resultiert eine Zeitdauer für den Referenzierungsvorgang von t_P. Diese Zeitdauer liegt im Sekundenbereich was einen entscheidenden Vorteil gegenüber den zuvor vorgestellten Verfahren darstellt.
Dieses Verhalten wurde durch eine Messung bestätigt. Dazu wurde die Leuchtdiode 2 für die Dauer t_P = 4 s mit einem Strom von I = 590 mA beaufschlagt, währenddessen wurde das Messsignal 11 aufgezeichnet. Die Leuchtdiode 2 wurde während der Messung bei einer Temperatur von T_B = 70°C betrieben und die Auswertung von U_aus erfolgt bei t₁ = 4000 ms und t₂ = 320 ms. Die aufgenommenen Kennlinien 33 sind in 12 aufgetragen. Daraus kann dann eine Kennlinie 34 für R_1/2 bestimmt werden, die ebenfalls in 12 dargestellt ist.
Mit dieser Messreihe konnte bestätigt werden, dass sich eine streng monoton steigende Funktion R_1/2(T_S) ergibt, die für eine Temperaturmessung geeignet ist. Es kann also jeder Temperatur T_S eindeutig ein Funktionswert R_1/2 zugeordnet werden.
Um Schwankungen der von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichtintensität zu erfassen, ist die in 9 dargestellte Auslesevorrichtung 30 mit einer weiteren Monitordiode 35 versehen, mit der die Intensität des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichts erfassbar ist. Die Monitordiode 35 kann dabei in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Leuchtdiode 2 angeordnet sein. Die Monitordiode 35 erzeugt ein weiteres Detektorsignal 36, das einer weiteren Messschaltung 37 zugeführt wird. Die Messschaltung 37 erzeugt daraus ein Referenzsignal 38 mit den Werten U_mon.
Die Auslesevorrichtung 30 wurde bereits in einem Prototyp realisiert. Dabei wurden die Leuchtdiode 2, die Photodiode 9 und die weitere Monitordiode 35 sowie der Temperatursensor 17 in einem Diodenblock 39 zusammengefasst, der in 13 in einer Explosionsansicht und im zusammengebauten Zustand dargestellt ist. Der Diodenblock verfügt über eine Bodenplatte 40, die beispielsweise aus Kunststoff hergestellt ist und die eine Reihe von Durchführungen 41 aufweist, in die Kontaktstifte 42 der Leuchtdiode 2, der Photodiode 8, der weiteren Photodiode 35 sowie des Temperatursensors 17 eingesteckt sind. Die weitere Photodiode 35 und der Temperatursensor 17 befinden sich dabei zwischen der Leuchtdiode 2 und der Photodiode 35. Die an der Bodenplatte 40 angebrachten Bauelemente können mit einer beispielsweise metallischen Abdeckung 43 abgedeckt und fixiert werden. Auf der Außenseite der Abdeckung 43 ist die Heizvorrichtung 16 angebracht. In der Abdeckung 43 sind ferner Durchführungen 44 vorgesehen, die zur Aufnahme von Hülsen dienen, die die Enden der Lichtleiter 4 und 7 aufnehmen können.
Als Leuchtdiode 2 wurde eine Leuchtdiode mit der Bezeichnung LD 242-2 verwendet. Als Photodiode 8 diente eine Photodiode mit der Bezeichnung IFD91.
Als Monitordiode 35 wurde eine Photodiode mit der Kennung IFD91 verwendet. Der Temperatursensor 17 war ein Ein-Draht-Temperatursensor mit der Kennung DS18S20. Als Heizvorrichtung 16 diente der Heiztransistor BD135.
Somit kam lediglich kostengünstige Standardelektronik zum Einsatz.
Es sei angemerkt, dass der Diodenblock 39 auch in den Auslesevorrichtungen 1 und 26 verwendet werden kann.
Die Bereitstellung des Diodenstromes I der Leuchtdiode 2 wurde von einer über einen DA-Konverter variabel einstellbaren Stromquelle 3 übernommen. Schließlich wurden die Spannungsausgänge der den Photostrom verstärkenden Messschaltungen 10 und 37, nämlich U_aus = U_mon, über einen AD-Konverter in einen Mikrocomputer eingelesen, der als Steuereinheit 12. dient. Dieser Mikrocomputer übernahm die gesamte Steuerung und Regelung der Auslesevorrichtung 30. Weiterhin bestand eine Möglichkeit zur Datenausgabe an einer Anzeigeeinheit.
Auf Grund der zusätzlichen Monitordiode 35 wurden folgende Funktionen definiert:
Durch die Normierung der aufgezeichneten Spannungswerte können Schwankungen im Emissionsverhalten der Leuchtdiode 2 ausgeschlossen werden.
Zur Ermittlung eines Wertes von F wurde die Leuchtdiode 2 bei einem konstanten, sehr geringen Diodenstrom I betrieben, so dass sich diese nicht erwärmte. Währenddessen wurde eine bestimmte Anzahl an Wertepaaren aus U_aus und U_mon aufgezeichnet, jeweils deren Mittelwert gebildet und anschließend F über Formel (11) berechnet.
Zur Bestimmung von R_1/2norm wurde der Puls des Diodenstroms I der Leuchtdiode 2 entsprechend dem vorgegebenen Stromwert gestartet. Daraufhin wurde mittels Schleife gewartet, bis die vorgegebene Pulszeit t_P erreicht war. Währenddessen wurden ständig AD-Wandlungen der Spannungen U_aus und U_mon mit einer Rate von 100 Wertepaaren pro Sekunde durchgeführt. Diese Wertepaare wurden in Datenfeldern A und M abgelegt. Nach Erreichen der Pulsdauer t_P, wurde der Diodenstrom auf I = 0 mA gesetzt.
Als nächstes wurden folgende Mittelwerte aus den in den Datenfeldern A und M mit dem Laufindex i abgelegten Werten gebildet:
Wegen möglichen Einschwingvorgängen wurden die ersten 5 und die letzten 5 Werte nicht berücksichtigt.
Mit Hilfe des Prototypen für die Auswertevorrichtung 30 konnten die in den Formeln (11) und (12) definierten Funktionen in einem Temperaturbereich zwischen T_S = –60°C und T_S = 160°C ermittelt werden. Eine Kennlinie 46 für die Funktion F ist ebenso wie eine Kennlinie 47 für die Funktion R_1/2norm in 14 dargestellt. 14 zeigt die Kennlinienverläufe der Funktionen F(T_S) und R_1/2norm(T_S) im Transienten-Betrieb mit T_B = 70°C, t_P = 2 s und I = 500 mA. Bei der Funktion F handelt es sich um einen von den parisitären Verlusten abhängigen Verlauf. Die Funktion R_1/2norm(T_S) ist dagegen unabhängig von den Dämpfungseigenschaften im optischen Kanal. Unter Berücksichtigung beider Werte ist es letztendlich möglich, den tatsächlichen Temperaturwert T_S zu bestimmen, wobei ein Langzeitdrift verhindert werden kann.
Bei dem hier beschriebenen Kompensationsverfahren wird die Leuchtdiode 2 bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben, wodurch sich das Emissionsspektrum verschiebt. Durch eine Verhältnisbildung von zwei detektierten Intensitäten oder Photoströmen bei verschiedenen Temperaturen der Leuchtdiode 2 ergibt sich schließlich eine von den Einkoppel- und Dämpfungsverlusten unabhängige Funktion R_1/2(T_S). In einem gewissen Rahmen ist also ein Sensorbetrieb mit einer reinen Intensitätsmessung ohne aufwendige optische Komponenten möglich. Zudem ist es möglich, dieses Verfahren auf sämtliche optische bzw. faseroptische Sensorsysteme zu übertragen.
Des Weiteren wurden drei Möglichkeiten der Umsetzung und die zugehörigen Kennlinienverläufe an Hand eines faseroptischen Temperatursensors auf Basis von InP erläutert.
Zum einen ist es möglich die Leuchtdiode 2 bei zwei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen T_B1 und T_B2 und konstantem Strom I zu betreiben und über die Messwerte I_L1 und I_L2 das Verhältnis R_1/2(T_S) zu bestimmen.
Eine Alternative dazu ist es, den Diodenstrom I so zu regeln, dass an der Photodiode 8 stets der gleiche Strom I_L gemessen wird. Dabei kann die Emissionsleistung der Leuchtdiode 2 überwacht werden und das Verhältnis R_1/2(T_S) aus den Werten U_mon1 und U_mon2 bei zwei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen T_B1 und T_B2 ermittelt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird schließlich ausgenützt, dass sich die Leuchtdiode 2 während eines Strompulses aufheizt und sich somit das Spektrum verschiebt. Durch eine Aufzeichnung der transienten Pulsverläufe bei konstanter Umgebungstemperatur T_B, kann das Verhältnis R_1/2 = U_aus(t₁)/U_aus(t₂) ermittelt werden. Hier entsprechen t₁ und t₂ unterschiedlichen Zeitpunkten während des Pulsverlaufs von U_aus.
Je nach Anwendungsfall, Messbereich und Kennliniencharakteristik können diese drei Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Zudem kann auch das transiente Verfahren in einem Verfahren mit Stromregelung umgesetzt werden.
Jedes der hier beschriebenen Verfahren zur Bestimmung von R_1/2 konnte bereits unter Laborbedingungen getestet werden. Wobei die letzte, transiente Bestimmungsmethode bereits in einem Prototypen realisiert werden konnte und dessen Funktion bereits getestet werden konnte.
Mit Hilfe der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren wird eine punktuelle Temperaturerfassung möglich. Der entscheidende Vorteil dabei ist, dass eine Referenzierung des Sensorsystems durch einfache Mittel ohne zusätzlichen Hardwareaufwand durchgeführt werden kann. Folglich handelt es sich im Gegensatz zu den herkömmlichen Messprinzipien um eine sehr kostengünstige Methode. Da nur Standardelektronik zur Verwendung kommt, können die Kosten durch eine Erhöhung der Stückzahl erheblich gesenkt werden. Zudem besteht ein sehr großes Potential zur Weiterentwicklung des Systems und des Kompensationsverfahrens, wodurch weitere Kosten eingespart werden können. Durch diese kostengünstige Lösung kann der Anwendungsbereich der faseroptischen Temperatursensoren in der Industrie vergrößert werden.
Es sei angemerkt, dass anstelle der Leuchtdiode 2 auch eine durchstimmbare Laserdiode, zum Beispiel eine so genannte DFB(= Distributed Feed Back)-Laserdiode verwendet werden kann.
In diesem Fall kann die Steuerung der Betriebstemperatur durch eine Steuerung einer Stellgröße zur Einstellung des Emissionsspektrums ersetzt werden. Auch andere durchstimmbare Lichtquellen kommen in Frage.
Außerdem sei angemerkt, dass die hier beschriebene Vorrichtung nicht nur für Leistungstransformatoren, sondern auch zu Überwachung der Temperatur in Schaltschränken, elektrischen Antrieben, Generatoren, Wechselrichtern, in Hochfrequenzsystemen wie zum Beispiel Magnetresonanztomographen oder ähnlichen Geräten eingesetzt werden kann.
Schließlich sein angemerkt, dass es zwar von Vorteil ist, wenn die zur Bestimmung der Temperatur verwendete Kennlinie streng monoton steigt oder fällt. Falls erforderlich kann jedoch die Steuereinheit 12 beispielsweise anhand der Absolutwerte der Messsignale 11 feststellen, welcher Abschnitt der Kennlinie zur Bestimmung der Temperatur des Messaufnehmers 5 herangezogen werden muss.
Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung wurde häufig auf die Intensität von Licht Bezug genommen. Genau genommen ist damit die in Watt zu messende Strahlungsleistung gemeint. Ferner sei angemerkt, dass mit Licht elektromagnetische Strahlung im gesamten optischen Wellenlängenbereich vom infraroten bis zum ultravioletten Wellenlängenbereich gemeint ist.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
Literaturverzeichnis

[1] LumaSense Technologies: Robust Fibre Optic Winding Temperature Sensing System. In: TECHCON 2003 ASIA-PACIFIC, S. 46–47. PT&D, 2003.
[2] HELMIG, C., TEUNISSEN, J. und PEIER, D.: Transformator-Monitoring mit optischen Sensoren. ew Fachthema, 101(9): 66–71, 2002.
[3] BETTA, G., PIETROSANTO, A. und SCAGLIONE, A.: An Enhanced Fiber-Optic Temperature. Sensor System for Power Transformer Monitoring. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 50(5), 2001.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4703175 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmer (5), der in einer Lichtleiteranordnung (4, 7) ausgebildet ist, mit: – einer an die Lichtleiteranordnung (4, 7) angeschlossenen Lichtquelle (2), durch die dem Messaufnehmer (5) Licht zuführbar ist, – einem an die Lichtleiteranordnung (4, 7) angeschlossenen Lichtdetektor (8), durch den vom Messaufnehmer (5) spektral selektiertes Licht detektierbar ist und durch den ein der Intensität des detektierten Lichts entsprechendes Detektorsignal (9) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Emissionsspektrum (21) des emittierten Lichts von einem kontinuierlich einstellbaren Betriebsparameter der Lichtquelle (2) abhängt, dass – die Vorrichtung über eine Auswerteeinheit (12) verfügt, durch die der Betriebsparameter der Lichtquelle (2) auf unterschiedliche Betriebsparameterwerte einstellbar ist, dass – durch die Auswerteeinheit (12) den unterschiedlichen Betriebsparameterwerten zugeordnete Messwerte bestimmbar sind, die vom jeweiligen Emissionsspektrum (21) des von der Lichtquelle (2) emittierten Lichts abhängen, dass – die Auswerteeinheit (12) über eine Speichereinheit (13) verfügt, in die die von der Auswerteeinheit (12) bestimmten Messwerte abspeicherbar sind, und dass – durch die Auswerteeinheit (12) ein Ausgangssignal (14) der Vorrichtung in Abhängigkeit von einem Verhältnis der bei verschiedenen Betriebsparameterwerten der Lichtquelle (2) bestimmten Messwerte erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (5) ein spektral stufenförmiges Transmissionsprofil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (5) über einen Halbleiterkristall (6) verfügt, dessen Transmissionsprofil (20) eine Absorptionskante aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiteranordnung einen von der Leuchtdiode (2) zum Messaufnehmer (5) führenden Lichtleiter (4) und einen vom Messaufnehmer (5) zum Lichtdetektor (8) führenden Lichtleiter (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter die Betriebstemperatur der Lichtquelle (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur der Lichtquelle (2) mithilfe einer Heizvorrichtung (16) auf wenigstens einen Temperaturwert einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur der Lichtquelle (2) mithilfe der Heizvorrichtung (16) und eines Temperatursensors (17) von der Auswerteeinheit (12) auf wenigstens einen vorbestimmten Temperaturwert regelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Auswerteeinheit (12) bestimmte, von dem jeweiligen Betriebsparameterwert der Lichtquelle (2) abhängige Messwert vom Detektorsignal (9) abhängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (12) die Intensität der Lichtquelle (2) auf ein vorgegebenes Detektorsignal (9) regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Auswerteeinheit (12) ermittelte Messwert ein Steuersignal (15) ist, das die Intensität des von der Lichtquelle (2) emittierten Lichts beeinflusst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert ein Detektorsignal eines weiteren Lichtdetektors (35) ist, der die Intensität der Lichtquelle (2) überwacht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) wechselweise mit verschiedenen Betriebsparameterwerten betreibbar ist und dass während des Betriebs mit dem jeweiligen Betriebsparameterwerte eine Vielzahl von Messwerten erfassbar ist.
Verfahren zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers (5), der in einer Lichtleiteranordnung (4, 7) ausgebildet ist, bei dem: – dem Messaufnehmer (5) mithilfe einer Lichtquelle (2) über die Lichtleiteranordnung (4, 7) Licht zugeführt wird, – das dem Messaufnehmer (5) zugeführte Licht vom Messaufnehmer (5) spektral selektiert wird, und – das spektral selektierte Licht von einem Lichtdetektor (8) erfasst wird und in ein der Intensität des spektral selektiven Lichts entsprechendes Detektorsignal (9) gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – als Lichtquelle (2) ein Bauteil verwendet wird, dessen Emissionsspektrum über einen Betriebsparameter des Bauteils einstellbar ist, dass – eine Auswerteeinheit (12) bei verschiedenen Betriebsparameterwerten der Lichtquelle (2) Messwerte bestimmt, die vom Emissionsspektrum des von der Lichtquelle (2) emittierten Lichts abhängen, und dass – von der Auswerteinheit (12) ein Ausgangssignal (14) der Vorrichtung in Abhängigkeit von einem Verhältnis der bei verschiedenen Betriebsparameterwerten der Lichtquelle (2) bestimmten Messwerte erzeugt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Auslesen eines in einem elektrischen Gerät angeordneten Messaufnehmers (5).