DE19502007C2 - Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes für eine Temperaturmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf einem nach diesem Verfahren hergestellten Sensorkopf.

Aus dem Stand der Technik

[1] Z.: Laser und Optoelektronik, Nr. 3, 1983, S. 226-234
[2] FR 26 64 695 A1
[3] JP 63-78 031 (A) in Patents Abstracts of Japan, Vol. 12/No. 307, 12. August 1988, P-747
[4] DE 29 41 677 A1
[5] DE 38 08 235 A1

sind Temperaturmeßvorrichtungen dieser Gattung bekannt. Zum besseren Verständnis ist das Prinzip in Fig. 1 schematisch dargestellt. Gemäß der Fig. 1 sind die Temperaturmeßvorrichtungen prinzipiell aus einem die Temperatur messenden Sensorkopf S1 sowie zwei Anschlußleitungen aufgebaut, die mit dem Sensorkopf verbunden sind. Der Sensorkopf selbst besteht aus einem Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Material M1, mit einem vorbestimmten Brechungsindex n1 und einem Temperaturkoeffizienten a1 bezüglich des Brechungsindexes n1, der von einem transparenten Mantel M3, Fig. 5, umgeben ist. Der Mantel M3 hat den Brechungsindex n3 und einen Temperaturkoeffizienten a3 bezüglich des Brechungsindexes n3. Die Temperaturkoeffizienten a1 und a3 sind unterschiedlich.

Die Spule Sp1 ist ferner an einem ihrer Enden über eine erste der Anschlußleitungen G1 mit einer Leuchtdiode 4 verbunden, während an dem anderen Ende der Spule Sp1 über die zweite Anschlußleitung G1 eine Photodiode 5 angeschlossen ist. Die Anschlußleitungen G1 gemäß Fig. 1 sind ebenfalls Lichtleiter.

Mit Ausnahme des erwähnten Sensors nach [5], der auf dem optischen Kerr Effekt beruht, basieren die in [1], [2], [3] und [4] beschriebenen Temperaturmeßvorrichtungen auf folgendem Funktionsprinzip:
An der Schnittstelle zwischen Leuchtdiode 4, Fig. 1, und der Anschlußleitung, bestehend aus dem Lichtleiter G1 mit dem transparenten Kernmaterial M1 und dem umgebenden Mantel M3, werden Lichtstrahlen vorbestimmter Lichtleistung unter verschiedenen Winkeln in die Anschlußleitung eingekoppelt. Diese Lichtstrahlen werden basierend auf dem physikalischen Prinzip der Totalreflektion nahezu ungedämpft zum Sensorkopf S1 geleitet. Auf Grund der Geometrie der Spule Sp1 (starke Biegung) wird ein großer Teil dieser Lichtstrahlen nicht mehr total reflektiert, sondern tritt durch den Mantel M3 und wird in der Umgebung des Sensorkopfes absorbiert. Damit tritt im Sensorkopf eine starke Dämpfung des Lichtes auf. Die zweite Anschlußleitung G1 führt die verbleibenden Lichtstrahlen, die im Sensorkopf total reflektiert werden, nahezu ungedämpft zurück zur Photodiode 5. Dies bewirkt daß die von der Photodiode 5 empfangene Lichtleistung erheblich geringer ist, als die von der Leuchtdiode 4 eingekoppelte Lichtleistung.

Die Dämpfung des Lichtes im Bereich des Sensorkopfes Sp1 hängt von den Brechungsindizes n1 und n3 ab und ändert sich mit der Temperatur wegen den unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten a1 und a3. Dadurch wird die von der Photodiode 5 gemessene Lichtleistung temperaturabhängig und durch Kalibrieren läßt sich mit einer der Photodiode 5 nachgeschalteten Auswerteelektronik die Temperatur in der näheren Umgebung des Sensorkopfes direkt und exakt ermitteln.

Es liegt auf der Hand, daß sich derartige Temperaturfühler aufgrund ihres geringen Gewichtes und des geringen technischen Aufwands besonders gut für den Einsatz in Kraftfahrzeugen oder der Luft- und Raumfahrt eignen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die äußeren Abmessungen, insbesondere des Sensorkopfes, infolge der verwendeten Materialien, vorzugsweise Glasfasern, relativ groß sind.

Die großen Abmessungen resultieren aus der geringen Elastizität von Glasfasern. Demnach sind nur verhältnismäßig große Krümmungsradien für die Spule Sp1 im Sensorkopf möglich. Um eine ausreichende Dämpfung und Empfindlichkeit des Sensors zu erreichen, werden in [1] und [2] mehrere Windungen hintereinander angeordnet.

Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik garantieren Hersteller von Glasfasern eine Langzeitbruchfestigkeit, insofern der Krümmungsradius größer als das 600fache des Glasdurchmessers des Lichtleiters ist und eine Kurzzeitbruchfestig­ keit für Krümmungsradien größer als das 100fache des Glasdurchmessers des Lichtleiters. Somit können mit gängigen Glasdurchmessern zwischen 50 µm und 400 µm im günstigsten Fall (Kurzzeitbruchfestigkeit) Spulendurchmesser von 10 mm beziehungsweise 80 mm erzielt werden.

Diese Abmessungen sind, wie bereits erwähnt, zu groß für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Kraftfahrzeugbau. Außerdem muß davon ausgegangen werden, daß mechanische Belastungen durch Vibrationen und dergleichen zu einem raschen Versagen dieser Sensorköpfe führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Temperaturmeßvorrichtung herzustellen, die entgegen den aufgezeigten Problemen beispielsweise in den Bereichen Kraftfahrzeug-, Flugzeug- oder dergleichen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen neuartigen Sensorkopf für eine Temperaturmeßvorrichtung gemäß dem Schutzanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung sieht demnach gemäß Anspruch 1 eine plastische Verformung des Lichtleiters zu einer Biegung oder Krümmung mit vorbestimmtem Radius zur Ausbildung, der sich innerhalb des Sensorkopfes befindenden Spule vor. Auf diese Weise kann die von der Krümmung simulierte Spule mit lediglich einem Teil einer Spulenwindung (z. B. halbe Spulenwindung) bei einem Durchmesser des 2 bis 100fachen des Lichtleiterdurchmessers verwirklicht werden. Mit den sehr kleinen Biegeradien, die nur bei plastischer Verformung des Lichtleiters möglich sind, läßt sich ein Sensorkopf realisieren, der wesentlich kleiner ist als bisher. Ein solcher Sensorkopf ist bei beengten Verhältnissen, wie sie in den Bereichen Kraftfahrzeug-, Bahn- und Flugzeugtechnik oder wie in der Raumfahrt vorgefunden werden, problemlos einsetzbar. Auf diese Weise werden auch die elastischen Spannungen aus dem Material genommen, woraus in der verformten Lage dann die hohe Langzeitbruchfestigkeit und mechanische Stabilität resultieren. Ein weiterer Vorteil, der sich aus den kleinen Biegeradien ergibt, ist die verbesserte Linearität und der erweiterte Meßbereich. Als Folge der verbesserten Linearität werden aufwendige Auswerteeinrichtungen überflüssig und im einfachsten Fall reicht das Anschließen eines kalibrierten Voltmeters aus. Die kleinsten möglichen Sensorkopfabmessungen liegen bei elastischer Verformung unter Berücksichtigung der erwähnten Kurz- und Langzeitbruchfestigkeit und bei Verwendung von sehr dünnen Lichtleitern mit beispielsweise 50 µm Durchmesser bei bestenfalls 10 mm. Mit der erfindungsge­ mäßen Temperaturmeßvorrichtung läßt sich bei einem Lichtleiterdurchmesser von 50 µm ein Sensorkopf mit nur 100 µm Durchmesser herstellen. In der Praxis haben solche dünnen Lichtleiter Nachteile bei der Handhabung und es ist auch eine höhere Lichtintensität der einspeisenden Lichtquelle 4 erforderlich. Problemlos können nun auch größere Lichtleiterdurchmesser mit beispielsweise 200 µm oder 400 µm verwendet werden, um Sensorköpfe mit 400 µm oder 800 µm zu realisieren. Solche Sensorköpfe erfordern geringere Lichtintensitäten und ermöglichen den Einsatz kostengünstiger Lichtquellen.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine konventionelle Temperaturmeßvorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Temperaturmeßvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Temperaturmeßvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Variante zum Temperaturmeßvorrichtung gemäß Fig. 3, worin eine Kompensation der Dämpfung in der Anschlußleitung 2 zur Verringerung von Meßfehlern vorgenommen wird. Die Dämpfung in der Anschlußleitung 2 macht sich besonders dann bemerkbar, wenn diese von großer Länge sind oder viele Biegungen mit kleinen Biegeradien aufweisen.

Fig. 5-7 zeigen Querschnitte von Lichtleitern, wie sie in den Spulen verwendet werden.

Gemäß der Fig. 2 besteht die Temperaturmeßvorrichtung nach dem Ausführungs­ beispiel der Erfindung aus dem eine temperatursensible Zone bildenden Sensor­ kopf 1, zwei Anschlußleitungen 2 und 3, einer Lichtquelle 4, in diesem Fall eine Leuchtdiode, und einem lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement 5, hier eine Photodiode. Wie zum Stand der Technik erwähnt wurde, schließen die Anschlußleitungen 2 und 3 den Sensorkopf 1 an die Lichtquelle 4 und das lichtempfindliche, elektrische Bauelement 5 an. Innerhalb des Sensorkopfes 1 befindet sich eine Spule aus einem lichtleitfähigen, d. h. einem transparenten, dielektrischen Material, in diesem Ausführungsbeispiel eine Glasfaser M1 als Lichtleiter, welche von einem Sensorkopfgehäuse 7 umschlossen ist. Das Sensorkopfgehäuse 7 besteht aus einem Material M3, wie Glas, Keramik oder Kunststoff, welches die Spule umschließt (vergleiche Fig. 5) und diese quasi zu einer integralen Baueinheit werden läßt. Der die Spule 6 ausbildende Lichtleiter ist im wesentlichen auf die Spulenform, d. h. auf den Spulen­ durchmesser und die vorbestimmte Windungszahl plastisch vorgeformt.

An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, daß für die Eigenschaften der verwendeten Materialien M1 und M3 insbesondere hinsichtlich der Brechungsindizes n1 von M1 und n3 von M3 sowie der Temperaturkoeffizienten a1 und a3 bezüglich der Brechungsindizes n1 und n3 selbstverständlich die gleichen Beziehungen für die Funktionsfähigkeit des Meßsystems gelten müssen, wie sie eingangs zum Stand der Technik beschrieben wurden, so daß hier auf die entsprechenden Textstellen der Beschreibungseinleitung verwiesen werden kann.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Tempera­ turmeßvorrichtung, welche gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine einfachere Installation bei gleicher Meßleistung ermöglicht.

Gemäß Fig. 3 ist der Sensorkopf 1 im Unterschied zum Sensorkopf nach Fig. 2 über nur eine Anschlußleitung 2 und über eine Zweigstelle 9 (Y-Koppler) an die Leucht- und Photodiode 4 und 5 angeschlossen. Zur Erreichung der Funktionsfähigkeit ist im zweiten Ausführungsbeispiel hingegen ein Reflektor 8 vorgesehen, der an einem freien Ende der Spule 6 noch innerhalb des Sensorkopfes 1 angeordnet ist und der durch die Spule 6 geleitetes Licht reflektiert.

Das Funktionsprinzip des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dabei exakt jenem des Standes der Technik. Jedoch wird das von der Leuchtdiode 4 ausgestrahlte Licht nach dem ersten Durchlauf der Spule 6 durch den Reflektor 8 zurückgeworfen. Nach einem zweiten Spulendurchlauf wird ein Teil des zurückgeworfenen Lichtes im Y-Koppler 9 über den Lichtleiter 15 in Richtung der Photodiode 5 abgelenkt. Die Vorteile dieser Ausführung liegen auf der Hand. Zum einen wird nur eine Anschlußleitung 2 benötigt während die zum Y-Koppler 9 gehörenden Lichtleiter 15 und 14 beliebig kurz gewählt werden können. Zum anderen ist die Dämpfung im Sensorkopf 1 auf Grund der simulierten doppelten Spulenwindungszahl erheblich höher, so daß ein breiterer Temperaturmeßbereich und eine höhere Meßgenauigkeit erzielt werden kann.

Die Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 3. Der Aufbau und die Funktionsweise der Temperaturmeßvorrich­ tung nach Fig. 4, Ausführungsbeispiel 3, entsprechen im wesentlichen jenen des zweiten Ausführungsbeispiels Fig. 3, so daß auf eine diesbezügliche, erneute Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann.

Es hat sich indessen gezeigt, daß sich erhebliche Meßfehler durch eine überhöhte Dämpfung in den Anschlußleitungen 2 und 3 infolge lokaler Wärmeeinwirkungen sowie infolge der Art der Verlegung (kleine Biegeradien) ergeben können. Diese Meßfehler verfälschen die Meßergebnisse soweit, daß eine Anwendung dieser Temperaturmeßtechnik, beispielsweise im Kraftfahrzeugbau oder in der Luft- und Raumfahrt, bisher nicht möglich zu sein schien. Die Dämpfung in den Anschlußleitungen stellt damit je nach Applikation die nicht zu vernachlässigende Störgröße I dar.

Das zweite Ausführungsbeispiel eignet sich nunmehr bei entsprechender Abwandlung nach Fig. 4 besonders zur Kompensation der genannten Störgröße I. Damit ist eine Kompensation der Dämpfung in den Anschlußleitungen gemeint. Gemäß der Fig. 4 ist zusätzlich zur der bisher verwendeten Leucht- und Photodiodenanordnung ein zusätzliches, lichtempfindliches, elektrisches Bauelement 10, vorzugsweise eine Photodiode, vorgesehen, die über den Licht­ leiter 11 des Y-Kopplers 12 sowie über die Anschlußleitung 16 an den Reflektor 8 innerhalb des Sensorkopfes 1 angeschlossen ist. Der verbleibende Lichtleiter 13 von Y-Kopplers 12 ist mit der Leuchtdiode 4 verbunden. Die Funktionsweise dieser Kompensationsschaltung läßt sich dabei wie folgt beschreiben:
Wie im zweiten Ausführungsbeispiel wird von der Leuchtdiode 4 ausgestrahltes Licht über den Lichtleiter 14 des Y-Kopplers 9 und über die Anschlußleitung 2 zum Sensorkopf 1 geleitet, vom Reflektor 8 reflektiert und schließlich von der Photo­ diode 5 über den Lichtleiter 15 aufgefangen. Abhängig von der Temperatur im Um­ gebungsbereich des Sensorkopfes 1 wird dabei das Licht beim Durchlaufen der Spule 6 im Sensorkopf 1 gedämpft. Eine weitere Dämpfung tritt, wie vorstehend als Störgröße I beschrieben, auch in der Anschlußleitung 2 auf, wodurch sich das Meßergebnis verfälscht. Gemäß Fig. 4 wird jedoch Licht vorbestimmter Lichtleistung über den Lichtleiter 13 des Y-Kopplers 12 in die zur Anschlußleitung 2 parallel laufende Anschlußleitung 16 geleitet, am Reflektor 8 ohne durchlaufen der Spule 6 reflektiert und mit der Photodiode 10 über den Lichtleiter 11 erfaßt. Damit lassen sich die Dämpfung in der Anschlußleitung sowie darüber hinaus Schwankungen in der Lichtausbeute der Leuchtdiode 4 (Störgröße II) genau quantifizieren. Eine nachgeschaltete Auswerteelektronik bezieht dann die so quantifizierten Störgrößen I und II in die Berechnung der zu messenden Temperatur mit ein und ermöglicht eine fehlerfreie Messung.

Oft finden in der Praxis Lichtleiter mit einem mehrschichtigen Aufbau, wie in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt, Verwendung. Auch diese Ausführungen eines Lichtleiters eignen sich hervorragend für den Aufbau der erfindungsgemäßen Temperaturmeßvorrichtung. Für die Temperaturkoeffizienten a1 bezüglich des Brechungsindex n1 und a2 bezüglich des Brechungsindex n2 sowie a3 bezüglich des Brechungsindex n3 der Materialien M1, M2 und M3 gelten folgende Beziehungen:

n1 ≠ n2 ≠ n3 ≠ n1 und a1 ≈ a2 ≠ a3 ≠ a1.

Dabei kann das Material M3 sowohl als Mantel aber auch als Buffer verwendet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes (1), aus einem Lichtleiter mit einem Kern aus transparentem Faserkernmaterial (M1), das einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) besitzt, mit einem Mantel (M3), welcher einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n3) und einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindexes (n3) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (M3) im Bereich des Sensorkopfes (1) entfernt wird, daß dieser freigelegte Bereich erwärmt wird, daß eine anschließende plastische Verformung zu wenigstens einer Biegung oder Krümmung mit einem Krümmungsdurchmesser von weniger als dem 100fachen des Durchmessers des verwendeten Faserkernmaterials (M1) erfolgt und daß dann der Bereich des Sensorkopfes (1) mit einer Umhüllung aus lichtleitfähigem Material versehen wird, das einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n3) und einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungs­ index (n3) hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus transparentem Material, insbesondere aus Silikon oder Glas oder Keramik, ist.

3. Sensorkopf, hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, für eine Temperaturmeßvorrichtung, wobei der Sensorkopf (1) eine temperaturempfind­ liche Zone bildet und wenigstens eine daran angeschlossene, lichtleitende Anschlußleitung (2, 3, 16) sowie eine Lichtquelle (4) und ein lichtempfindliches, elektrisches Bauelement (5) aufweist, wobei die Anschlußleitung (2, 3, 16) ein transparentes Faserkernmaterial (M1) aufweist, das einen vorbestimmten Brechungsindex (n1) und einen Temperaturkoeffizienten (a1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) besitzt und das von einem Mantel (M3) umgeben ist, welcher einem zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungs­ index (n3) und einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindexes (n3) hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial (M1) zur Ausbildung einer Spule (6) zu zumindest einer innerhalb des Sensorkopfes (1) sich befindenden Krümmung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius plastisch vorgeformt ist und daß der Krümmungsdurchmesser weniger als das 100fache des Durchmesser des ver­ wendeten Faserkernmaterials (M1) beträgt.

4. Sensorkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem freien Ende der Spule (6) ein Reflektor (8) angeordnet ist, der das auftreffende Licht zurück in die Spule (6) reflektiert und daß die Anschlußleitung (2) mit einem Y-Koppler (9) verbunden ist, über dessen einen Lichtleiteranschluß (15) ein Teil des reflektierten Lichtes zu dem lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (5), vorzugsweise einer Photodiode, geleitet ist.

5. Sensorkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Y-Koppler (12) vorgesehen ist, über dessen einen Lichtleiteranschluß (13) Licht vorbestimmter Leistung in eine Kompensationsleitung (16), die mit dem Re­ flektor (8) unter Umgehung der Spule (6) verbunden ist, eingespeist wird und daß ein Teil dieses am Reflektor (8) reflektierten Lichtes über einen Lichtleiteran­ schluß (11) des zweiten Y-Kopplers (12) von einem zweiten, lichtempfindlichen, elektrischen Bauelement (10), vorzugsweise einer zweiten Photodiode, erfaßt wird und daß die Kompensationsleitung (16) im wesentlichen dem Streckenverlauf der Anschlußleitung (2) folgt.

6. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung des Faserkernmaterials (M1) zur Ausbildung der Spule (6) im wesentlichen 180° beträgt.

7. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserkernmaterial (M1) von einem transparenten Mantel (M2) aus einem Material umgeben ist, das einen zum Faserkernmaterial (M1) unterschiedlichen Brechungsindex (n2) hat und einen Temperaturkoeffizienten (a2) bezüglich des Brechungsindexes (n2) hat, der nahezu gleich dem Temperaturkoeffizienten (a1) des Faserkernmaterials (M1) bezüglich des Brechungsindexes (n1) ist, und daß der Mantel (M2) wiederum von einem Buffer (M3) aus einem transparenten Material umgeben ist, der den Mantel (M2) vollständig umschließt und der einen zum Material des Mantels (M2) unterschiedlichen Brechungsindex (n3) hat und der einen Temperaturkoeffizienten (a3) bezüglich des Brechungsindexes (n3) besitzt der von dem Temperaturkoeffizienten (a2) des Mantels (M2) bezüglich des Brechungsindexes (n2) verschieden ist.