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Dokumentenidentifikation DE102004015945B3 29.12.2005
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Mediums
Anmelder UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, 04318 Leipzig, DE
Erfinder Roland, Ulf, Dr., 04179 Leipzig, DE;
Buchenhorst, Daniel, 04299 Leipzig, DE;
Kopinke, Frank-Dieter, Prof. Dr., 04109 Leipzig, DE;
Georgi, Anett, Dr., 04289 Leipzig, DE;
Holzer, Frank, Dr., 04107 Leipzig, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10179 Berlin
DE-Anmeldedatum 25.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004015945
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.12.2005
IPC-Hauptklasse G01K 11/32
IPC-Nebenklasse G01K 11/12   G01N 21/47   G01N 21/65   G02B 6/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Temperatur eines Mediums.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturbestimmung anzugeben, mit welchen die Temperatur eines zu untersuchenden Mediums mit hoher Genauigkeit, hoher Sicherheit, optional gleichzeitig für eine Vielzahl von Messkanälen, kostengünstig und mit einer ausreichenden Messgeschwindigkeit bestimmt werden kann.
Dazu wird elektromagnetische Strahlung über eine optische Faser (6) in eine an einem Faserende (7) angeordnete Raman-aktive Substanz (8) eingekoppelt, das Faserende (7) mit der Raman-aktiven Substanz (8) im Medium (9) oder im Bereich des Mediums (9) angeordnet, die von der Raman-aktiven Substanz (8) rückgestreute elektromagnetische Strahlung in die optische Faser (6) und/oder in eine andere optische Faser einkoppelt, das Spektrum der eingekoppelten Strahlung detektiert und aus dem detektierten Spektrum die Temperatur des zu untersuchenden Mediums (9) ermittelt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Temperatur eines Mediums mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9 genannten Merkmalen.

Für die Messung der Temperatur als einer fundamentalen Kenngröße für eine Vielzahl von Prozessen ist eine Reihe von Messverfahren und Messvorrichtungen bekannt. Unter diesen sind optische Verfahren insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die Umgebungsbedingungen wie beispielsweise starke elektromagnetische Felder, ionisierende Strahlung, hohe Magnetfelder oder aggressive Medien die Nutzung elektrisch basierter Messverfahren erschweren bzw. nicht gestatten. Bei den optischen Temperaturmessverfahren wird die Temperatur durch die Nutzung und Anwendung von unterschiedlichen physikalischen Effekten wie beispielsweise von Temperatureinflüssen auf die Fluoreszenz bzw. Lumineszenz sowie deren Relaxation, Änderungen von Festkörpereigenschaften wie der Gitter-Konstanten, des Bragg-Winkels oder der elektronischen Bandlücke in Abhängigkeit von der Temperatur, Änderungen des Spektrums der thermischen Strahlungsemission eines Körpers oder der Temperaturabhängigkeit der Raman-Streuung bestimmt.

So ist aus GB 2 211 605 A, GB 2190186 A und US 4,823,166 bekannt, dass die Temperaturabhängigkeit der Stokes- und Anti-Stokes-Banden der Raman-Streuung in Kombination mit der Optical Time Domain Reflectometry (OTDR) zur Messung der Temperaturverteilung entlang einer (bis zu einigen km langen) Glasfaser genutzt werden kann. Dabei sind, abhängig von den verwendeten Komponenten wie A/D-Wandlern oder Detektoren, Ortsauflösungen von bis zu 25 cm möglich. Das Verfahren beruht auf der Einkopplung eines Laserpulses in eine optische Faser und der zeitaufgelösten Messung des rückgestreuten Lichtes, welches die Temperaturinformation enthält. Die Substanz, deren Raman-Banden analysiert werden, ist in der Regel das Fasermaterial (Quarz) selbst. Nachteilig am vorgenannten Verfahren ist allerdings, dass eine Temperaturmessung in einer zwei- oder dreidimensionalen Matrix, wie sie häufig zur Prozessüberwachung benötigt wird, nur erfolgen kann, wenn die optische Faser entsprechend in der Fläche oder im Volumen verlegt wird. Dies erfordert jedoch einen hohen Aufwand bei der Installation einer Messvorrichtung, was zu erheblichen Kosten führt und diese Methode beispielsweise zur Prozesskontrolle oft nicht geeignet sein lässt. Weiterhin ist die Temperaturbestimmung mittels zeitaufgelöster Messung des rückgestreuten Lichts hinsichtlich der Ortsauflösung derart beschränkt, dass beispielsweise eine Prozessüberwachung mit einer erforderlichen Ortsauflösung von weniger als 1 cm nicht realisiert werden kann. Für die Temperaturmessung entlang einer optischen Faser ist weiterhin von Nachteil, dass die Dämpfungsverluste für die einzelnen Messpositionen unterschiedlich sind.

Andere optische Messverfahren sind oft aufwändig hinsichtlich der Installation und Herstellung der Sensoren, teuer und in ihrer Genauigkeit abhängig von den optischen Verhältnissen (z.B. der Lichtstreuung) am Ort der Messung.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturbestimmung anzugeben, mit welchen die Temperatur eines zu untersuchenden Mediums mit hoher Genauigkeit, hoher Sicherheit, optional für eine Vielzahl von Messkanälen, kostengünstig und mit einer ausreichenden Messgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Dabei soll die Messung der Temperatur keinen oder einen möglichst geringen Einfluss auf die Temperatur des Mediums selbst haben. Die thermischen Wechselwirkungen mit der Probe sollen gering sein, so dass beispielsweise auch sensible biologische Systeme untersucht werden können. Weiterhin soll die Bestimmung der Temperatur ohne mechanische Ankopplung erfolgen können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Temperaturbestimmung an definierten Messpunkten mit einer hohen Ortsauflösung, d. h. in zu untersuchenden Substanzen geringer Ausdehnung, zu realisieren.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den Oberbegriffen des Anspruchs 1 (Verfahrensanspruch) und des Anspruchs 9 (Vorrichtungsanspruch) genannten Merkmalen im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst.

Dazu wird elektromagnetische Strahlung, in der Regel Licht im sichtbaren Spektralbereich oder im Nahen Infrarot, in das erste Ende einer optischen Faser eingekoppelt. Am zweiten Ende dieser Faser oder am Ende einer mit ihr optisch verbundenen Faser (Sensorfaser), welches keine Schutzumhüllung aufweist und somit freigelegt ist, wird eine Raman-aktive Substanz angeordnet. Vorzugsweise weist die auf dem zweiten Ende der optischen Sensorfaser angeordnete Raman-aktive Substanz (Sensorsubstanz), deren Raman-Spektrum sich vom Raman-Spektrum der optischen Faser (Sensorfaser) unterscheidet, ein intensives Raman-Spektrum mit scharfen Banden, keine Fluoreszenz bei Benutzung der entsprechenden Anregungsfrequenz der elektromagnetischen Strahlung, ausreichende chemische Stabilität unter den relevanten Messbedingungen und Phasenstabilität im relevanten zu messenden Temperaturbereich auf. Die in die optische Faser eingekoppelte elektromagnetische Strahlung wird nun aus dem Bereich des zweiten Endes der optischen Faser (Sensorfaser) vorzugsweise über die Stirnfläche des im Wesentlichen zylinderförmigen zweiten Endes der optischen Faser in die Sensorsubstanz ausgekoppelt, wobei das zweite Ende der optischen Faser mit der darauf angeordneten Raman-aktiven Substanz vorzugsweise im Volumen des zu untersuchenden Mediums angeordnet wird. Sowohl durch eine geringe Größe als auch eine geringe Wärmekapazität der Sensorspitze (zweites Ende der optischen Faser mit der darauf angeordneten Raman-aktiven Substanz) sind eine hohe Orts- und Zeitauflösung erreichbar. Auf Grund der geringen Wärmekapazität wird der zu charakterisierende Prozess (insbesondere die Temperatur des untersuchten Mediums) durch die Messung praktisch nicht beeinflusst. Nach der Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung tritt diese mit der Raman-aktiven Substanz in Wechselwirkung. Die von der Raman-aktiven Substanz rückgestreute elektromagnetische Strahlung wird nun wiederum in das zweite Ende der optischen Faser (Sensorfaser) eingekoppelt. Das Spektrum der von der Raman-aktiven Substanz rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung wird detektiert und die Temperatur der zu untersuchenden Substanz aus dem detektierten Raman-Spektrum ermittelt. Dabei wird erfindungsgemäß die Tatsache ausgenutzt, dass das Verhältnis der Raman-Banden, beispielsweise das Verhältnis von Stokes-Banden und Anti-Stokes-Banden, einer Temperaturabhängigkeit unterliegt, so dass aus diesem Verhältnis auf die Temperatur der Raman-aktiven Substanz geschlossen werden kann. Auf Grund der bevorzugten Anordnung der (eine geringe Wärmekapazität aufweisenden) Raman-aktiven Substanz im Volumen des zu untersuchenden Mediums kann aus dem Raman-Spektrum der Raman-aktiven Substanz ebenfalls ein Rückschluss auf die Temperatur des zu untersuchenden Mediums getroffen werden, da die Temperaturen von Raman-aktiver Substanz und zu untersuchendem Medium übereinstimmen. Für die Ermittlung der Temperatur können neben den Stokes- und Anti-Stokes-Banden auch die Rayleigh-Bande oder die Brillouin-Banden herangezogen werden, wobei geeignete Verhältnisse von Einzelbanden die Grundlage zur Temperaturermittlung bilden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die rückgestreute elektromagnetische Strahlung über einen optischen Koppler in eine weitere optische Faser eingekoppelt, welche den optischen Koppler mit einer Detektionseinheit verbindet.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zusätzliches Raman-Spektrum (Referenzspektrum) bestimmt, wobei das zweite Ende der optischen Sensorfaser ohne Raman-aktive Substanz in einem Volumen einer Substanz ohne signifikante Raman-Streuung für die verwendete elektromagnetische Strahlung (Anregungslicht) angeordnet wird. Alternativ kann eine der Sensorfaser entsprechende optische Faser verwendet werden, bei der keine Raman-aktive Substanz an der Spitze aufgebracht wurde (Referenzfaser). Das so ermittelte Raman-Spektrum wird dann jeweils vom gemessenen Sensorspektrum (mit Raman-aktiver Substanz) subtrahiert, um Einflüsse der Rückstreuung in der Faser und weitere Streu- und Untergrundeffekte weitestgehend mit dem Ziel zu eliminieren, die Messgenauigkeit zu verbessern.

Ein Vorteil der Methode auf Basis der Raman-Streuung ist, dass die einzelnen Raman-Banden als interner Standard verwendet werden können und somit eine variierende Konzentration der Sensorsubstanz nicht als potenzielle Fehlerquelle in die Auswertung des Messsignals eingeht. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich, verglichen mit Methoden nach dem Stand der Technik, durch eine signifikant erhöhte Orts- und Zeitauflösung bei einer hohen Flexibilität hinsichtlich des Messbereiches aus.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, vorab das Spektrum der von der Raman-aktiven Substanz rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung bei einer bekannten Temperatur (Referenztemperatur) zu ermitteln und dann aus der Änderung von Stokes-Banden, Anti-Stokes-Banden, Brillouin-Banden und/oder Rayleigh-Banden bzw. eines Verhältnisses dieser Banden die Temperatur der zu untersuchenden Substanz bzw. des zu untersuchenden Mediums zu bestimmen. Die Temperaturbestimmung unter Einbeziehung einer Referenztemperatur bietet den Vorteil, dass Bedingungen wie die Konzentration der streuenden Substanz an der Sensorspitze, die Streuung des emittierten Lichts, die Lichteinkopplung in die Faser oder die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik des Detektors eliminiert werden können. Alternativ kann jedoch die Temperaturbestimmung auch auf der Basis theoretischer Überlegungen unter Einbeziehung der spektralen Empfindlichkeit der verwendeten optischen Komponenten, d.h. ohne eine Referenzmessung, erfolgen.

In einem besonderen Anwendungsfall ist es möglich, dass sich bereits eine Raman-aktive Substanz mit ausreichender Streuintensität in der zu vermessenden Matrix befindet. Dann kann deren Raman-Streuung zur direkten Temperaturbestimmung, vorzugsweise auf Basis der Stokes- und Anti-Stokes-Banden herangezogen werden. In diesem Fall ist es also nicht erforderlich, zusätzlich auf dem zweiten Ende der optischen Sensorfaser eine Raman-aktive Substanz anzuordnen. Unter diesen Bedingungen besteht also zumindest teilweise eine Identität von zu untersuchendem Medium (Substanz) und Raman-aktiver Substanz.

Gegenüber der zeitaufgelösten Messung des rückgestreuten Lichts einer optischen Faser nach dem Stand der Technik kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur eine verbesserte Orts- und Zeitauflösung mit hoher Flexibilität hinsichtlich des Messbereiches erreicht werden. Es ist auch eine parallele Temperaturmessung an mehreren Messstellen in besonders einfacher Weise möglich (sogenannter Mehrkanalbetrieb).

Dazu ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen, die elektromagnetische Strahlung (Anregungslicht) einer Lichtquelle über geeignete optische Elemente gleichzeitig in mindestens zwei optische Fasern (Messkanäle) einzukoppeln, die Fasern der einzelnen Messkanäle vorzugsweise über optische Koppler mit jeweils einer Sensorfaser zu verbinden und die elektromagnetische Strahlung (Licht) aus den Enden der mindestens zwei Sensorfasern an den jeweiligen Messpunkten für alle Kanäle gleichzeitig in die Sensorsubstanzen auszukoppeln, wobei auf den Faserenden jeweils eine Raman-aktive Substanz angeordnet ist. Sämtliche verwendete Raman-aktive Substanzen für die einzelnen Messkanäle weisen zumindest teilweise unterschiedliche Raman-Spektren auf. Die rückgestreuten elektromagnetischen Signale jedes Sensors (entsprechend den einzelnen Messpunkten bzw. Messkanälen) werden über die Enden der einzelnen optischen Sensorfasern wiederum eingekoppelt, über geeignete optische Elemente zusammengeführt und an der Detektionseinheit (Detektor) überlagert. Aus diesem überlagerten Signal (elektromagnetische Strahlung aller Kanäle bzw. Überlagerung sämtlicher Raman-Spektren) kann dann die Temperatur der einzelnen Messkanäle, d.h. die Temperatur an den einzelnen Messpunkten, ermittelt werden. Dabei wird die Lage der einzelnen Raman-Banden der überlagerten elektromagnetischen Strahlung zur Selektierung der Kanäle über die Zuordnung zu den verwendeten unterschiedlichen Raman-aktiven Substanzen verwendet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens eine optische Faser (Sensorfaser) auf, deren erstes Ende über ein Mittel zum Einkoppeln von Licht mit einer Lichtquelle und über ein Mittel zum Auskoppeln von Licht mit einer Detektionseinheit zur Messung eines Raman-Spektrums verbunden ist, wobei auf dem zweiten Ende der optischen Sensorfaser eine Raman-aktive Substanz angeordnet ist und wobei sich das Raman-Spektrum der Raman-aktiven Substanz vom Raman-Spektrum der optischen Faser unterscheidet. Vorzugsweise ist die Detektionseinheit mit einer Auswerteeinheit verbunden. Zur Temperaturbestimmung an mehreren Messpunkten in einem Medium weist eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei optische Fasern auf, deren Faserenden jeweils an den Messpunkten anordenbar oder angeordnet sind, wobei auf jedem Faserende eine Raman-aktive Substanz angeordnet ist und sich die Raman-Spektren der einzelnen Raman-aktiven Substanzen zumindest teilweise unterscheiden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden zur Einkopplung und/oder Auskopplung von Licht in die Sensorfasern bzw. aus den Sensorfasern weitere optische Fasern verwendet, welche mittels optischer Koppler und/oder optischer Steckverbinder mit den Sensorfasern verbunden sind.

Die verwendeten optischen Fasern einschließlich der Sensorfasern bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einer geringen optischen Dämpfung für das sichtbare Spektrum und das Infrarotspektrum (Bereich des Nahen Infrarot). Die Umhüllung besteht vorzugsweise aus einem lichtundurchlässigen Material. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante bestehen die optischen Fasern aus Polyimid-beschichtetem Quarz mit einem Durchmesser von einigen 100 &mgr;m. Vorzugsweise ist der Bereich des zweiten Endes der optischen Sensorfaser so ausgebildet, dass der zylinderförmige Bereich ohne Umhüllung ca. 3 mm lang ist und der Durchmesser des Quarz-Faserkerns von beispielsweise 200 &mgr;m eine ausreichende mechanische Stabilität sicherstellt.

Die Verbindungen zwischen den Sensorfasern und den optischen Fasern zum Einkoppeln und Auskoppeln des Lichts werden vorzugsweise durch bidirektionale optische Koppler, in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante durch Y-Koppler, ausgebildet. Dieses Bauteil stellt zumindest sicher, dass das von der Quelle kommende Licht in die Sensorfaser eingekoppelt wird und das rückgestreute Licht von der Sensorfaser zur Detektionseinheit gelangt. In einer alternativen Ausführungsvariante ist es vorgesehen, die Fasern für die Zu- und Rückleitung des Lichtes zur und von der Raman-aktiven Substanz vollständig zu trennen und somit auf den optischen Koppler zu verzichten.

In bevorzugten Ausführungsvarianten sind die Raman-aktiven Substanzen an der Spitze (zweites Ende) der Sensorfaser ein Metalloxid, ein Perowskit, eine Kohlenstoff-Modifikation, ein organischer Feststoff und/oder Silizium. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante besteht die Raman-aktive Substanz aus der Titandioxid-Modifikation Anatas, der Titandioxid-Modifikation Rutil (beide TiO2) oder aus Molybdänoxid (MoO3).

Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Laser, beispielsweise ein Halbleiterlaser, verwendet. Als Detektionseinheiten zur Erfassung des Raman-Spektrums werden vorzugsweise ein Raman-Spektrometer mit integriertem Filter zur Reduzierung der Rayleigh-Linie oder zwei CCD-Zeilen mit zur optimalen Detektion des Stokes- bzw. Anti-Stokes-Bereiches justierten optischen Gittern verwendet. Durch die Verringerung der Intensität der Rayleigh-Linie lassen sich die wesentlich schwächeren Stokes-Banden und Anti-Stokes-Banden besser auswerten. Dadurch, dass zur Temperaturbestimmung das Verhältnis von Anti-Stokes- zu Stokes-Banden, welche im Gegensatz zur Rayleigh-Linie eine untereinander vergleichbare Intensität aufweisen, verwendet wird, kann ein genaueres Messergebnis erzielt werden. Die Steuerung der Vorrichtung, die Ermittlung der Temperatur auf der Basis des Rückstreuspektrums sowie die Zuordnung der Kanäle beim Mehrkanalbetrieb werden durch die Auswerteeinheit realisiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zur optischen Bestimmung der Temperatur eines umgebenden Mediums mittels Detektion der inelastischen Lichtstreuung einer Sensorsubstanz in schematischer Darstellung,

2 eine Darstellung der Ramanspektren der Raman-aktiven Sensorsubstanz Anatas (TiO2) bei zwei ausgewählten Umgebungstemperaturen (45°C bzw. 170°C),

3 eine Anordnung zur Mehrkanalmessung der Temperatur in einem ausgedehnten Bereich unter Nutzung unterschiedlicher Raman-aktiver Substanzen für die einzelnen Sensoren und

4 eine weitere Anordnung zur Mehrkanalmessung der Temperatur in einem ausgedehnten Medium unter Verwendung eines kompakten optischen Kopplungsmoduls.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur optischen Bestimmung der Temperatur eines umgebenden Mediums mittels Detektion der inelastischen Lichtstreuung einer Sensorsubstanz. Von einer Lichtquelle 1 wird Anregungslicht (elektromagnetische Strahlung) über den optischen Verbindungsstecker 3 in die kunststoffumhüllte optische Faser 4 eingekoppelt. Über den optischen Koppler 5 (Y-Koppler) wird das Licht aus der optischen Faser 4 in die kunststoffummantelte optische Sensorfaser 6 eingekoppelt, wobei die optische Sensorfaser 6 lediglich im Bereich ihres zweiten Endes 7 keine Umhüllung aufweist. Zur Bestimmung der Temperatur des zu untersuchenden Mediums 9 ist die Raman-aktive Substanz 8 am zweiten (probenzugewandten) Ende 7 der optischen Faser 6 angeordnet. Zur Messung wird das Ende 7 der optischen Faser 6 mit der darauf befindlichen Raman-aktiven Substanz 8 im Volumen oder zumindest teilweise im Volumen des zu vermessenden Mediums 9 positioniert. Dabei ist eine solche Anordnung der Substanz 8 im oder im Bereich des Mediums 9 erforderlich, dass die (eine geringe Wärmekapazität aufweisende) Substanz 8 durch Wechselwirkung mit der Substanz 9 deren Temperatur annimmt. Das von der Raman-aktiven Sensorsubstanz 8 rückgestreute Licht wird über das Ende 7 der optischen Faser 6, den optischen Koppler 5 sowie eine weitere optische Faser 4 mit Anschlussstecker 3 zur Detektionseinheit 2 geleitet. Die Detektionseinheit 2 ist mit einer Auswerteeinheit 10 verbunden. Die Vorrichtung kann zur Temperaturmessung in Feststoffen (z. B. Pulverschüttungen), Flüssigkeiten oder Gasen verwendet werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Temperaturüberwachung in technischen Einrichtungen, die Temperatursteuerung in Heizanlagen und Öfen sowie um die Prozesskontrolle und -steuerung mit der Messung in Gasflüssen oder Flüssigkeiten handeln.

Im Ausführungsbeispiel bestand die zu untersuchende Substanz 9 aus einem Katalysator in einer beheizbaren Reaktionskammer. Die Messungen wurden in einem Temperaturbereich zwischen 45°C und 170°C durchgeführt, wobei die einzelnen erhaltenen Spektren mittels Referenzmessung ohne Raman-aktive Substanz bezüglich des Faseruntergrunds korrigiert wurden. Als Raman-aktive Substanz wurde die TiO2-Modifikation Anatas verwendet, wobei die Raman-Bande bei &Dgr; &ngr;~ = 143 cm–1 zur Auswertung herangezogen wurde. Als Lichtquelle 1 diente ein Nd-YAG-Laser mit einer Anregungswellenlänge von 1064 nm, zur Signalerfassung und -verarbeitung (Detektionseinheit 2 und Auswerteeinheit 10) wurde ein FT-Raman-Spektrometer Bruker RFS 100 mit Germaniumdetektor genutzt. Das Licht wurde über eine optische Faser 4 zu einem optischen Koppler 5 geleitet und dort in eine optische Sensorfaser 6 , an deren zweiten Ende (Spitze) 7 die Raman-aktive Substanz 8 angeordnet war, eingekoppelt. Die Sensorspitze 7 befand sich im zu messenden Medium 9. Das von der Raman-aktiven Substanz 8, die aufgrund ihrer geringen Wärmekapazität sehr schnell die Temperatur des umgebenden Mediums 9 annahm, rückgestreute Licht wurde über die optische Sensorfaser 6 und den optischen Koppler 5 wiederum über eine optische Faser 4 zur Detektionseinheit 2, dem Spektrometer, geführt.

In 2 sind exemplarisch die korrigierten Rückstreuspektren (Raman-Spektren) für die Medientemperaturen 45°C und 170°C dargestellt. Für jede Temperaturbestimmung wurde das Verhältnis der Intensitäten der Anti-Stokes-Bande (bei einer Raman-Wellenzahl von &Dgr; &ngr;~ = –143 cm–1) zur Stokes-Bande (bei &Dgr; &ngr;~ = 143 cm–1) gebildet. Im dargestellten Fall stimmt die gemessene Änderung dieses Quotienten bei Abkühlung von 170°C auf 45°C (Faktor 0,84) mit dem theoretisch zu erwartenden Wert von 0,835 sehr gut überein, was die Anwendbarkeit des Verfahrens gemäß der Erfindung und der sprechenden Vorrichtung unterstreicht.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, dessen Ausgestaltung in 3 schematisch dargestellt ist, wurde ebenfalls ein geeigneter Laser als Lichtquelle 31 verwendet. Das Anregungslicht wurde über einen Anschlussstecker 32 und eine optische Faser 33 sowie ein geeignetes optisches Kopplungselement 35 in alle Messkanäle 34a, 34b, 34c gleichzeitig eingekoppelt. Über die Y-Koppler 36a, 36b, 36c und über die optischen Sensorfasern 37a, 37b, 37c mit deren freigelegten Sensorspitzen 38a, 38b, 38c wurde das Licht in die unterschiedlichen Raman-aktiven Substanzen 39a, 39b, 39c eingekoppelt, welche jeweils an den Sensorspitzen 38a, 38b, 38c angeordnet waren. Die Sensorspitzen 38a, 38b, 38c der einzelnen Messkanäle 34a, 34b, 34c mit den einzelnen Raman-aktiven Substanzen 39a, 39b, 39c wurden im zu charakterisierenden Medium 40 an unterschiedlichen Messstellen positioniert. Zur Analyse des Rückstreulichtes wurden die Signale über die Sensorspitzen 38a, 38b, 38c, die einzelnen optischen Sensorfasern 37a, 37b, 37c, die Y-Koppler 36a, 36b, 36c und optische Fasern zu einem weiteren optischen Kopplungselement 41 geführt, welches über eine optische Faser 33 und einen Stecker 32 mit der Detektionseinheit 42 verbunden war. Im Ausführungsbeispiel weist die Detektionseinheit 42 zwei CCD-Zeilen mit optischen Gittern auf, die auf die Bereiche der Stokes-Banden bzw. Anti-Stokes-Banden unter Aussparung der Laserwellenlänge (Bereich der Rayleigh-Streuung) justiert sind. Die Detektionseinheit 42 wird durch den vorgeschalteten optischen Koppler 41 für alle Messkanäle 34a, 34b, 34c (optional mehr als die dargestellten drei Kanäle, realisiert durch die optischen Sensorfasern 37a, 37b, 37c mit Raman-aktiven Substanzen 39a, 39b, 39c) gemeinsam und gleichzeitig verwendet. Die Temperaturbestimmung für alle Messkanäle erfolgt in einer Auswerteeinheit 43, wobei das Verhältnis der einzelnen Anti-Stokes- und Stokes-Banden in der beschriebenen Weise als Grundlage dient. Die Korrelation der ermittelten Temperaturen mit den einzelnen Messkanälen 34a, 34b, 34c kann auf der Basis der bekannten Raman-Wellenzahlen der einzelnen Raman-aktiven Substanzen 39a, 39b, 39c, die den einzelnen Messkanälen 34a, 34b, 34c zugeordnet sind, erfolgen. Beispielsweise können für Kanal 34a die Titandioxid-Modifikation Anatas, für Kanal 34b die Titandioxid-Modifikation Rutil und für Kanal 34c Molybdänoxid verwendet werden. Der Vorteil dieser Realisierungsvariante der Erfindung besteht darin, dass ein echter Parallelbetrieb (gleichzeitige und damit sehr schnelle Messung) für mehrere Messkanäle 34a, 34b, 34c möglich ist und damit Temperaturverteilungen in einer zwei- oder dreidimensionalen Matrix schnell ermittelt werden können. Die Anordnung zur mehrkanaligen Temperaturmessung ist natürlich nicht auf drei Messkanäle beschränkt. Die Auswertung mehrerer Raman-Banden für einen Sensor erlaubt eine Erhöhung der Messgenauigkeit.

4 zeigt eine weitere Realisierungsmöglichkeit des Mehrkanalmessbetriebes. In dieser Variante sind die optischen Kopplungselemente 35, 36a, 36b, 36c und 41 in 3 zu einem einzigen optischen Bauteil (Kopplungsmodul 50) verbunden. Die weiteren Teile der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechen denen in 3 und sind mit denselben Bezugszeichen versehen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Mediums (9, 40)

    gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    – Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung über eine optische Faser (6, 37a, 37b, 37c) in eine an einem Faserende (7, 38a, 38b, 38c) angeordnete Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c), deren Raman-Spektrum sich vom Raman-Spektrum der optischen Faser (6, 37a, 37b, 37c) unterscheidet,

    – Anordnung der am Faserende (7, 38a, 38b, 38c) angeordneten Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) im Medium (9, 40) oder im Bereich des Mediums (9, 40),

    – Einkoppeln der von der Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung in die optische Faser (6, 37a, 37b, 37c) über das Faserende (7, 38a, 38b, 38c) und/oder in eine andere optische Faser,

    – Erfassung des Spektrums der von der Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung und

    – Ermittlung der Temperatur des zu untersuchenden Mediums (9, 40) aus dem detektierten Spektrum.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Referenzspektrum bestimmt wird, wobei bei ansonsten gleicher Anordnung am Faserende (7, 38a, 38b, 38c) keine Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) angeordnet ist, und dass dieses Referenzspektrum von demjenigen Spektrum subtrahiert wird, welches bei Anordnung der Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) auf dem Faserende (7, 38a, 38b, 38c) detektiert wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einkoppeln von Anregungslicht in die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) und zum Auskoppeln von Rückstreulicht aus der Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) ein und dieselbe optische Faser (6, 37a, 37b, 37c) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des zu untersuchenden Mediums (9, 40) aus dem Verhältnis von Anti-Stokes-Banden und Stokes-Banden oder aus dem Verhältnis von Anti-Stokes-Banden und Rayleigh-Banden der Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorab das Spektrum der von der Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) rückgestreuten elektromagnetischen Strahlung bei einer bekannten Temperatur ermittelt wird und aus der relativen Änderung von Stokes-Banden, Anti-Stokes-Banden und/oder Rayleigh-Banden die Temperatur des zu untersuchenden Mediums (9, 40) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Temperaturbestimmung an mehreren Messpunkten in mindestens zwei optische Fasern (37a, 37b, 37c) gleichzeitig elektromagnetische Strahlung eingekoppelt wird, wobei an den Faserenden (38a, 38b, 38c) der optischen Fasern (37a, 37b, 37c) jeweils Raman-aktive Substanzen (39a, 39b, 39c) angeordnet werden, welche unterschiedliche Raman-Spektren aufweisen, und die von den Raman-aktiven Substanzen (39a, 39b, 39c) rückgestreute elektromagnetische Strahlung jeweils über die Faserenden (38a, 38b, 38c) eingekoppelt wird, die rückgestreute Strahlung aller Messpunkte überlagert wird und aus der überlagerten elektromagnetischen Strahlung die Temperatur an den einzelnen Messpunkten bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen an den einzelnen Messpunkten im zu untersuchenden Bereich (40) aus dem Verhältnis der Anti-Stokes-Banden zu den Stokes-Banden des rückgestreuten Lichtes ermittelt werden, wobei die Lage der einzelnen Raman-Banden der überlagerten elektromagnetischen Strahlung zur Zuordnung der Temperaturen zu den einzelnen Messpunkten verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale mehrerer optischer Fasern (37a, 37b, 37c) gleichzeitig auf die Detektionseinheit (42) abgebildet werden.
  9. Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Mediums (9, 40), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende einer optischen Faser (6, 37a, 37b, 37c) über ein Mittel zum Einkoppeln von Licht mit einer Lichtquelle (1, 31) und über ein Mittel zum Auskoppeln von Licht mit einer Detektionseinheit (2, 42) zur Messung eines Raman-Spektrums verbunden ist und auf dem zweiten Ende (7, 38a, 38b, 38c) der optischen Faser (6, 37a, 37b, 37c) eine Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) angeordnet ist, wobei sich das Raman-Spektrum der Raman-aktiven Substanz (8, 39a, 39b, 39c) vom Raman-Spektrum der optischen Faser (6, 37a, 37b, 37c) unterscheidet.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (6, 37a, 37b, 37c) ein Material aufweist, das eine geringe optische Dämpfung für das sichtbare Spektrum und den Bereich des Nahen Infrarot aufweist und die Umhüllung aus einem lichtundurchlässigen Material besteht.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des zweiten Endes (7, 38a, 38b, 38c) der optischen Faser (6, 37a, 37b, 37c) ohne Umhüllung eine Länge von 3 mm nicht überschreitet und einen Durchmesser zwischen 50 und 500 &mgr;m besitzt.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Einkoppeln von Licht einen optischen Koppler (5, 36a, 36b, 36c, 50) aufweist, welcher über eine optische Faser mit der Lichtquelle (1, 31) verbunden ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Auskoppeln von Licht einen optischen Koppler (5, 36a, 36b, 36c, 50) aufweist, welcher über eine optische Faser mit der Detektionseinheit (2, 42) zur Messung des Raman-Spektrums verbunden ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) keine Fluoreszenz bei der Anregung mit elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge der Lichtquelle (1, 31) aufweist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) ein Metalloxid ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) eine Perowskitstruktur aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) eine Kohlenstoffmodifikation ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) Silizium ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) aus der Titandioxid-Modifikation Anatas, der Titandioxid-Modifikation Rutil und/oder Molybdänoxid (MoO3) besteht.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) ein organischer Feststoff ist.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-aktive Substanz (8, 39a, 39b, 39c) aus mehreren Raman-aktiven Komponenten besteht, die sich in ihrem Raman-Spektrum zumindest teilweise unterscheiden.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1, 31) ein Laser ist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Halbleiterlaser ist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (2, 42) zur Messung des Raman-Spektrums ein Raman-Spektrometer mit integriertem Filter zur Reduzierung der Rayleigh-Linie ist.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (2, 42) zur Messung des Raman-Spektrums aus zwei getrennten Halbleiter-Detektorzeilen mit optischen Gittern besteht, wobei die Rayleigh-Bande auf keiner der Halbleiter-Detektorzeilen abgebildet ist.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Koppler (5, 36a, 36b, 36c) ein bidirektionaler Y-Koppler ist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei optische Fasern (37a, 37b, 37c) mit unterschiedlichen Raman-aktiven Substanzen (39) mit der Detektionseinheit (42) verbunden sind und mit Hilfe der charakteristischen Raman-Signale die Temperaturen den Messkanälen (37) zugeordnet werden.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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