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Der Sensoreffekt bei den nachfolgend
hauptsächlich betrachteten extrinsischen Verfahren wird meist an der
Spitze der Glasfaser in Form eines Festkörpers, eines
fluoreszierenden Farbstoffes, einer Struktur in der Faser selbst
oder als mikrooptische Struktur realisiert (vgl. auch Abb. 1). Die
Messung der Temperatur ist eine der häufigsten Messungen in
Wissenschaft und Technik, da von einer zuverlässigen und genauen
Temperatur-messung eine Vielzahl technischer Prozesse und
Anwendungen abhängig sind. Unter dem Einfluss von starken
elektrischen, magnetischen und elektro-magnetischen Feldern
(Hochspannung, Radiowellen- und Mikrowellenanwendun-gen, Magnetische
Resonanzspektros-kopie - NMR und ESR -), in explosions-gefährdeten
Bereichen oder aggressiven Medien können herkömmliche
Thermo-elemente oder Widerstandsthermometer nicht sicher und
zuverlässig eingesetzt werden. Für solche Anwendungen werden
zunehmend Faseroptische Messverfahren genutzt, da sie prinzipbedingt
unempfind-lich gegenüber elektromagnetischen Feldern sind, aber auch
geringe Messwertverfälschungen durch minimale Wärmeableitung und
Wärmekapazität verursachen. Nachfolgend werden gängige
Messprinzipien vorgestellt und verschie-dene Anwendungsfelder
aufgezeigt.
Grundlagen
Faseroptische Messmethoden lassen sich zunächst einmal in
extrinsische und intrinsische Verfahren unterscheiden. Bei
intrinsischen Verfahren ist die Glasfaser |
selbst der Sensor,
während bei extrinsischen Verfahren die Glasfaser ausschließlich
zum Lichttransport dient. Der Sensoreffekt bei den nachfolgend
hauptsächlich betrachteten extrinischen Verfahren wir meist an der
Spitze der Glasfaser in form eines Festkörpers, eines
floureszierenden Farbstoffes, einer Struktur in der Faser selbst
oder als mikroskopische Struktur realisiert (vgl. auch Abb 1).
Abb. 1: Messprinzip Bandkantenverfahren
Als temperaturabhängige Sensoreffekte sind u.a. bekannt:
• die Abhängigkeit der Lage der Band-
kante von GaAs,
• die spektrale Änderung eines
faserimplementierten Fabry-Perot
Interferometers,
• die Fluoreszenzabklingzeit eines
Farbstoffes (Relaxationszeit) oder
• die Wellenlängenänderung eines Faser-
Bragg-Gitters.
Die am häufigsten genutzten Senso-reffekte codieren die
Temperaturänderung in einer Änderung des Spektrums.
Messmethoden
So ändert sich beim sogenannten Band-kantenverfahren die Lage der
elektr-onischen Bandkante eines an die Faser-spitze geklebten
GaAs-Kristalls mit etwa 0,4 nm/Kelvin. Ein in der Auswerteeinheit
befindliches Spektrometer registriert das vom Kristall reflektierte
Licht einer Miniaturlichtquelle. Aus der Lage der Bandkante wird die
Temperatur ermittelt. Bei einem Sensor nach dem Prinzip eines
Fabry-Perot-Interferometers befinden sich zwei sehr kurze, partiell
verspiegelte Faserenden in einer Mikrokapillare aus Glas (Fabry-Perot-Cavity).
Die beiden gegenüberliegenden Faserenden bilden ein
Interferenzfilter, dessen spektrale Reflektivität vom Abstand der
Endflächen abhängt. Ein thermisch bedingtes Schrumpfen bzw.
Ausdehnen der Mikrokapillare ändert den Abstand der Faserenden und
somit das Verhalten des Filters im Spektralbereich.
Ein bereits seit längerem eingesetztes Verfahren ist die
Abhängigkeit der Fluoreszenzabklingzeit von der Tempera- |
tur. Das Licht einer
Blitzlampe, oder neuerdings einer gepulsten blauen LED, beleuchtet
einen am Faserende befindlichen fluoreszierenden Farbstoff. Die
Abklingkurven der Fluoreszenz (Relaxation) sind temperaturabhängig.
Dadurch kann ohne Spektrometer zu zwei festen Zeitpunkten im Abstand
von einigen Millisekunden nach dem Puls die Intensität gemessen und
daraus die Temperatur ermittelt werden.
Bei einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor werden mit einem Laser in
Monomode-Fasern periodische, irreversible Brech-zahländerungen in
die Faser eingebracht. Diese »Störungen« wirken gemeinsam als
wellenlängen-selektiver Spiegel, dessen Wellenlänge gemessen wird.
Bedingt durch die thermische Ausdehnung der Faser kommt es zu einer
Wellenlängenänderung die mit der Temperatur korreliert.
Faser-Bragg-Gitter Sensoren gestatten, im Gegensatz zu den bisher
vorgestellten Verfahren, Messungen entlang einer Faser, wobei die
Messorte durch unterschiedliche Wellenlängen codiert sind. Die
mögliche Messstellenanzahl wird hauptsächlich durch den insgesamt
verfügbaren Spektralbereich begrenzt.
Alle vorgestellten Messverfahren zeichnen sich durch ihre Immunität
gegenüber elektromagnetischen Feldern aus, da die eigentlichen
Sensorelemente nur aus dielektrischen Materialien (Glas, Klebstoff,
Teflon, dielektrischer Verspie-gelung, GaAs, Fluorophor u.a.)
bestehen. Die maximal messbare Temperatur wird durch die thermische
Stabilität der eingesetzten Materialien bestimmt und liegt in der
Regel bei etwa 300° C. Sensorlängen bis zu einigen hundert Metern
sind bei allen Verfahren möglich. Anwendungsfelder der
faseroptischen Temperaturmessung sind:
Mikrowellenchemie
Chemische Aufschlüsse unter erhöhtem Druck und Temperatur, die
Bestimmung von Spuren und Ultraspuren in nachgelagerten
Analysenverfahren, Syn-thesen sowie katalytische Prozesse erfolgen
zunehmend in mit Mikrowellen beheizten Apparaturen. Faseroptische
Thermometer bieten hier nahezu die einzige Möglichkeit zur
thermischen Kontrolle und Steuerung des Reaktions-verlaufs.
Medizintechnik
Faseroptische Thermometer erlauben die Messung an Patienten und
Materialien im Kernspintomographen, wo typisch magnetische |
