DE3232059A1

DE3232059A1 - Glasfaserdetektor

Info

Publication number: DE3232059A1
Application number: DE19823232059
Authority: DE
Inventors: Bruce N. Glen Burnie Maryland Lenderking
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1981-09-04
Filing date: 1982-08-28
Publication date: 1983-03-24
Also published as: JPS5853739A; FR2512552A1; GB2105034A

Description

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Glasfaserdetektor

Die Erfindung betrifft einen Glasfaserdetektor zur Feststellung von Verunreinigungen in einer Umgebung mit einer oder mehreren langgestreckten in der Umgebung angeordneten Lichtleitfasern.

Mit Hilfe eines solchen Glasfaserdetektors können qualitativ chemische Verunreinigungen in der Umwelt festgestellt werden, wobei der Detektor den Vorteil hat, daß er mit seinem Sensorteil unmittelbar in der zu überprüfenden Umgebung angeordnet werden kann, wogegen die Auswertung in einer entfernt gelegenen Station erfolgen kann, zu der eine Übertragungsstreeke mit einem unempfindlichen Glasfaserkabel besteht.

Es ist allgemein bekannt, daß für die Lichtübertragung geeignete Lichtleitfasern einen Brechungsindex zwischen dem Faserkern und dem Fasermantel haben, der die Übertragungscharakteristik längs der Lichtleitfaser bzw. bei mehreren Lichtleitfasern längs dem Lichtleitkabel bestimmt. An der Grenzschicht zwischen dem Faserkern und dem Fasermantel wird ein Grenzwinkel e_c definiert, so daß sich für das in die Glasfaser eingeleitete Licht eine Totalreflektion ergibt, wenn der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist. Bei einem gegenüber dem Grenzwinkel kleineren Einfallswinkel tritt Licht durch den Fasermantel aus und geht verloren. Wenn sich der Brechnungsindex des Faserkerns dem des Fasermantels nähert, ändert sich die Leistungsverteilung im Lichtleiter, wobei die Leistung vom Faserkern zum Fasermantel hin verlorengeht.

Es gibt eine Vielzahl von Überwachungsvorgängen, bei welchen eine Fernüberwachung wünschenswert ist, sei es, daß der zu überwachende Bereich schwer zugänglich ist oder daß gefährliche chemische Substanzen vorhanden sind. Dabei ist es wünschenswert, daß der eigentliche Sensor so

WS340P-2528 wenig wie

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wenig wie möglich Einflüsse hat, d. h. weder chemisch reagiert noch z. B. elektromagnetische Felder o. dgl. beeinflußt.

Ein solches Detektorsystem zum Feststellen von Verunreinigungen kann für periodische Überwachungszwecke oder auch zum Feststellen von Funktionsausfällen, z. B. bei einer Flüssigkeitsübertragung in einem Rohrleitungssystem dienen. Die zu überwachenden Umgebungen bzw. die zu überwachende Umwelt kann dii'^ei sehr agressiv oder explosionsgefährdet sein und z. B. auch unter einem sehr hohen elektrischen Potential stehen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Detektoreinrichtung zu schaffen, mit welcher Verunreinigungen in einer Umgebung bzw. in der Umwelt festgestellt werden können, wobei der Sensor die auftretenden Verunreinigungen mit möglichst hoher Empfindlichkeit feststellen, jedoch andererseits die zu überwachende Umgebung nicht beeinflußt bzw. diese nicht stört.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung einer oder mehrerer Lichtleitfasern dadurch gelöst, daß die Lichtleitfasern einen Kern mit vorgegebenem Brechungsindex haben, von welchem der Fasermantel bzw. die Claddingschicht entfernt ist,

daß an die Enden der Lichtleitfasern eingangs- und ausgangsseitig optische Übertragungsleitungen angeschlossen . sind, über welche eingangsseitig eine ■ Lichtquelle und ausgangsseitig ein Lichtdetektor angekoppelt sind, und daß mit dem Lichtdetektor Vergleichseinrichtungen verbunden sind, mit welchen die über die Lichtleitfaser einerseits bei verunreinigungsfreier und andererseits bei verunreinigter Umgebung übertragenen Lichtsignale vergleichbar sind, um eine Verunreinigung infolge der Änderung des Brechungsindex der Lichtleitfasern festzustellen.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf eine einzige Figur bezugnehmendes Ausführungsbeispiel näher erläutert, welche einen als Sensor in einer Kammer angeordneten Lichtleiter zeigt.

WS340P-2528 In der Zeichnung

In der Zeichnung ist eine Detektoreinriehtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt, welche mit einer Meßkammer 12 versehen ist, die in der zu überprüfenden Umgebung bzw. Umwelt angeordnet ist und eine Öffnung 14 hat, durch welche die in der Umgebung oder Umwelt herrschenden atmosphärischen Verhältnisse sieh in das Innere der Meßkammer ausbreiten können. In der Meßkammer 12 ist ein langgestreckter Lichtleiter angeordnet, der aus einer oder mehreren Lichtleitfasern bestehen kann und von welchem der Faser mantel bzw. die Claddingsehieht entfernt ist. Dieser Lichtleiter verläuft etwa C-förmig in der Kammer, jedoch können auch S-. andere Konfigurationen wie z. B. ein ringförmiger oder spulenförmiger

Verlauf vorgesehen sein. Es soll dadurch Sorge dafür getragen werden, daß der Lichtleiter eine genügend große Oberfläche aufweist und die durch die Verunreinigung ausgelöste Änderung in der Lichtübertragung eine meßbare Größe liefert. Der Faserkern des Lichtleiters 16 hat einen Brechungsindex Nj. Die in der Meßkammer wirksame Umgebung, welche den Lichtleiter umgibt, soll einen Brechungsindex N2 haben.

Der Lichtleiter 16 ist am einen Ende 21 mit einer optischen Übertragungsleitung 20 an eine Lichtquelle angeschlossen und steht mit seinem anderen Ende 23 über eine optische Übertragungsleitung 22 mit Detektoreinrichtungen in Verbindung, welche in einem mit 18 gekennzeichneten Block untergebracht sind. Die Lichtquelle und der Lichtdetektor sind mit einer Vergleichseinrichtung 24 verbunden, die sowohl die Steuerung des Meßvorgangs als auch den Vergleich des empfangenen Lichtsignals mit dem ausgesendeten bzw. einem Standard- oder Bezugslichtsignal vornehmen, welches eine bekannte Umgebung in der Meßkammer kennzeichnet.

Im Einsatz wird die Meßkammer 12 in die gewünschte Umgebung oder Umwelt eingebracht, was beispielsweise innerhalb des Strömungsflusses einer Dampfturbine oder innerhalb eines elektrischen Generatorgehäuses bzw. eines unzugänglichen Bereiches in einem Kernkraftwerk sein kann. In einem Kernkraftwerk kann damit z. B. in einem radioaktiven Strömungskreis eine unerwünschte Veränderung einer chemischen Zusammensetzung oder chemischen Komponente überwacht werden. Durch die Öffnung 14

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ergibt sich durch Diffusion eine Beeinflussung der innerhalb der Meßkammer befindlichen Atmosphäre, so daß diese Atmosphäre repräsentativ für die zu überprüfende Umgebung ist und eine Istzeitmessung durchgeführt werden kann. Von der Lichtquelle der Detektoreinrichtungen wird über die Übertragungssleitung 20 dem Lichtleiter 16 ein Lichtsignal zugeführt. Die Atmosphäre innerhalb der Meßkammer 12, welche an der Grenzschicht zu dem Lichtleiter wirksam ist, wirkt auf dessen Oberfläche ein, wobei eine Vielzahl von Mechanismen je nach der Art der Verunreinigung wirksam sein können. Für eine dumpf form ige Verunreinigung kann sich beispielsweise auf dem Faserkern eine Ablagerung bilden. Es kann sieh jedoch auch eine Ablagerung von Teilchen durch einen statischen Ladungsaufbau und damit eine statische Anziehung ergeben. Diese aus der Umgebung stemmenden Verunreinigungen bilden somit auf dem Faserkern einen Fasermantel bzw. eine Claddingschicht, deren Brechungsindex dem Wert N2 entspricht und einen Lichtverlust an der Grenzschicht auslöst. Das übertragene Licht wird vom Lichtleiter 16 aus über die Übertragungsleitung 2 2 zum Lichtdetektor weitergeleitet. Als Lichtdetektor kann ein herkömmlicher Fotoelektronen-Vervielfacher Verwendung finden, der ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem empfangenen Lichtsignal liefert. Dieses Ausgangssignal wird an die Vergleichseinrichtungen 24 zur Weiterverarbeitung übertragen und mit einem Bezugssignal bzw. einem Ist-Signal verglichen, welches sich aufgrund einer bekannten verunreinigungsfreien Umgebungsatmosphäre ermitteln läßt. Die Vergleichseinrichtungen 24 können auch zur Steuerung benutzt werden, indem sie ein Steuersignal abgeben, welches das System für eine probeweise Überwachung an- und abschaltet. Schließlich können die Vergleichseinrichtungen auch Anzeigevorrichtungen umfassen, um einer Bedienungsperson das Auftreten von Verunreinigungen erkennbar zu machen.

Als Lichtquelle findet eine Lichtquelle hoher Intensität mit einem ausgeblendeten Strahlenbündel Verwendung, das auf die Übertragungsleitung 20 gegeben wird. In diesem Zusammenhang ist eine Laserlichtquelle als besonders vorteilhaft anzusehen, da sie ein monochromatisches Licht liefert und somit die Detektoreinrichtungen vereinfacht. Ein derartiges Laserlicht

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ist auch verhältnismäßig leicht in die Übertragungsleitungen ein- und auszukoppeln.

Für den Lichtleiter kann beispielsweise ein Lichtleiterkabel mit 200yum Durchmesser Verwendung finden, welches aus geschmolzenem Quarzglas besteht und einen Breehnungsidex von 1,46 hat. Der übliche Fasermantel aus Siliciumgummi wird im Bereich es Lichtleiter 16 innerhalb der Meßkammer abgenommen, so daß die außerhalb der Meßkammer verlaufenden Abschnitte als Übertragungsleitungen 20 und 22 zur Lichtquelle und zum Lichtdetektor Verwendung finden können. Wenn beispielsweise die Meßkammer in einer verunreinigten Strömung, z. B. einem Dampfstrom, angeordnet ist, lagern sich Strömungsteilchen auf der Oberfläche des Wellenleiters 16 ab und beeinflussen die Lichtübertragung, wobei die Intensität des übertragenen Lichtes verringert wird. Das Ausgangssignal, welches der Lichtdetektor empfängt, wird in der Vergleiehseinriehtung 24 verarbeitet und mit einem Bezugssignal bzw. Ist-Signal verglichen, welches eine nicht verunreinigte Strömung in der Meßkammer 12 kennzeichnet. Mit Hilfe des Meßergebnisses werden von der Vergleichseinrichtung aus dann Überwachungsfunktionen und Steuerfunktionen ausgelöst, welche in bekannter Weise beispielsweise auf die Leistungssteuerung oder auf eine HilfsSteuerung Einfluß nehmen können.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

(lΛ Glasfaserdetektor zur Feststellung von Verunreinigungen in einer Umgebung bzw. einer Umwelt mit einer oder mehreren langgestreckten, in der Umgebung bzw. Umwelt angeordneten Liehtleitfasern, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Liehtleitfasern (16) einen Kern mit vorgegebenem Brechungsindex haben und vom Fasermantel bzw. der Claddingschicht befreit sind,

- daß an die Enden der Lichtfasern eingangs- und ausgangsseitig optische Übertragungsleitungen (20, 23) angeschlossen sind, über welche eingangsseitig eine Lichtquelle und ausgangsseitig ein Lichtdetektor angekoppelt sind,

- und daß mit dem Lichtdetektor Vergleichseinrichtungen (24) verbunden sind, mit welchen die über die Lichtleitfaser einerseits bei verunreinigungsfreier und andererseits bei verunreinigter Umgebung übertragenen Liehtsignale vergleichbar sind, um eine Verunreinigung infolge der Änderung des Brechungsindex der Liehtleitfasern festzustellen.

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2. Glasfaserdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Lichtleiter (16) innerhalb einer im wesentlichen lichtdichten Meßkammer (12) angeordnet ist, in welche die Atmosphäre der zu überwachenden Umgebung bzw. Umwelt durch eine Öffnung (14) einwirkt.

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