Temperaturmessung  mit FOS für einen Messpunkt  

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   I

Abbildungsverzeichnis   III

Tabellenverzeichnis. IV   

Abk  ürzungsverzeichnis  IV

1.  Einführung und Zielsetzung  1

1.1.  Einführung  1

1.2.  Zielsetzung  2

2.  Faseroptische Sensoren  3

2.1.  Prinzipien  3

2.2.  Struktureller Aufbau faseroptischer Sensoren  4

2.3.  Der Fabry-Pérot-Sensor  5

2.3.1.  Prinzipielle Wirkungsweise des FPS  5

2.3.2.  Stand der Technik bei faseroptischen Fabry - Perot - Sensoren  6

2.3.3.  FPS als Temperatursensor  7

2.3.4.  Anwendungsbeispiel Holztrocknung mit FPS  8

2.4.  Faser-Bragg-Gitter-Sensor  9

2.4.1.  Temperaturmessung mit dem Faser - Bragg Sensor  11

2.4.2.  Anwendungsgebiete von Faser Bragg Temperatursensoren  13

2.5.  Thermolumineszenz  22

2.5.1.  Grundlagen der Thermolumineszenz in der Temperaturmessung  22

2.5.2.  Thermolumineszenz bei Luxtron  25

I

Temperaturmessung  mit FOS für einen Messpunkt  

2.5.3.  Umwelttechnik  27

2.5.4.  Medizintechnik  28

3.  Überblick über die aktuelle Marktsituation  30

3.1.  Marktentwicklung  30

3.2.  Hersteller von FOS  32

4.  Fazit und Ausblick  34

Literatur  - und Quellenverzeichnis  V

II

Temperaturmessung  mit FOS für einen Messpunkt  

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Struktureller Aufbau von FOS  

Abbildung  2: Aufbauprinzip eines Fabry-Perot-Sensors  

Abbildung  3: Mögliche 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 Temperaturüberwachungssystems (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: Krebsüberwachung  

Abbildung  18: Marktentwicklung FOS 1  

Abbildung  19: Marktentwicklung FOS 2  

III

Temperaturmessung mit FOS für einen Messpunkt

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Beispiele kommerziell verfügbarer faseroptischer Temperatursensoren . 33

Abkürzungsverzeichnis

DMS Dehnungs Messtreifen Sensor DTS Distributed Temperature Sensor EMV Elektro Magnetische Verträglichkeit Ex - Schutz Explosionsschutz FBGS Faser Bragg Gitter Sensor FOS Faser Optischer Sensor FPS Fabry Perot Sensor GaAs Gallium Arsenid HF Hochfrequenz K Kelvin LED Light Emitting Diode LWL Lichtwellenleiter nm Nanometer OTDR Optical Time Domain Reflectometry pm Picometer RF Radio Frequent TL Thermo Lumineszenz UV Ultra Violett

IV

Temperaturmessung mit FOS für einen Messpunkt

1. Einführung und Zielsetzung

1.1. Einführung

Die Messung der Temperatur ist eine der häufigsten Messungen in der Wissenschaft und Technik. Faseroptische Sensoren gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung, da konventionelle Messtechnologie für Temperatur-, Dehnungs-und

Schwingungsmessung bei spezifischen Praxisanforderungen immer wieder an Grenzen stoßen. Grenzbereiche entstehen, z.B. bei spezifischen Anforderungen wie extreme Umweltlasten, geringes Einbauvolumen, geringe Masse, geringe Maße,

große Messbereiche und lange Übertragungsstrecken. 1

Messtechnologien, die im Gegensatz zur Elektronik mit Licht als Übertragungsmedium der physikalischen Messgröße arbeiten, bieten hier entscheidende Vorteile. Bei den vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten 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 können problemlos durch Hochspannungsanlagen oder Ex-Schutzbereiche geführt werden

- beiden können aggressive Materialien nichts anhaben. Die faseroptische Temperaturmessung bietet die Chance, Temperaturen auch dort präzise zu

messen, wo dies bisher noch nicht möglich war 2

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

1

Temperaturmessung mit FOS für einen Messpunkt

1.2. Zielsetzung

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

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

Temperaturmessung mit FOS für einen Messpunkt

2. Faseroptische Sensoren

2.1. Prinzipien

Moderne Glasfasersensoren ermöglichen es, bei Abmessungen von wenigen Mikrometern, geometrische Veränderungen im Bereich von wenigen zehntel Nanometern zu messen. Dies gewährleistet eine hochauflösende Messung geometrischer Schichtvariationen.

In Lichtwellenleitern wird das Licht durch Totalreflexion geführt, d.h. dass das in die Faser eingekoppelte Licht einer Lichtquelle im Faserkern geführt wird (dessen Brechzahl sich von dem des Fasermantels unterscheidet). Ein optischer Effekt moduliert das Licht in Abhängigkeit der zu erfassenden Messgröße im eigentlichen Sensorelement; dies geschieht intrinsisch (das Licht wird innerhalb des Lichtwellenleiters moduliert) oder extrinsisch (das Licht verlässt den Wellenleiter, wird außerhalb moduliert und tritt wieder in einen Lichtwellenleiter ein) und reflektierend (moduliertes Licht wird im gleichen Lichtwellenleiter zurückgeführt) oder transmittierend (moduliertes Licht wird in getrennten Lichtwellenleiter weitergeleitet). FOS werden nach Art ihrer Lichtmodulation in intensitäts-, amplituden-, frequenz-, wellenlängen-, phasen- und polarisationsmodulierend unterteilt. Die meisten kommerziell erhältlichen Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der

Intensitätsmodulation. Diese hat jedoch den Nachteil, dass keine streckenneutralen Messungen ohne Referenzfaser möglich sind. Die Ausnutzung polarisationsmodulierender Effekte ist im Allgemeinen ebenfalls schwierig, da bestenfalls Monomodefasern das Messsignal polarisationserhaltend übertragen können. In der optischen Messtechnik ist Phasenmodulation, abgesehen vom Ausnutzen des optischen Gangunterschieds (Interferenzmessungen), eher unüblich, weil die direkte Detektion von Phasenlagen mit sehr großem messtechnischen Aufwand verbunden ist. Die Frequenzmodulation hingegen besitzt bezüglich der Signalübertragung den Vorteil der Streckenneutralität und kommt

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