DE102015217430A1

DE102015217430A1 - Faseroptischer Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102015217430A1
Application number: DE102015217430.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Villnow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-03-16
Also published as: WO2017042151A1; EP3325980A1; KR20180049079A; US20180259551A1; CN107949792A

Abstract

Es wird ein faseroptischer Beschleunigungssensor (10) angegeben mit – einer optischen Faser (11, 35, 50), die ein freistehendes Ende aufweist, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Beschleunigungen in Schwingungen versetzbar ist, – einer Lichtquelle zur Emission von sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht in die optische Faser (11, 35, 50) an einem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser (11, 35, 50), – einem Spiegel (14, 24, 45), der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser (11, 35, 50) zurückzuwerfen, – einer Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfenem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser (11, 35, 50), dadurch gekennzeichnet, dass – der Kern der optischen Faser (11, 35, 50) ein Bragg-Gitter im freistehenden Ende aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Beschleunigungssensor, insbesondere zur Anwendung in einem Generator.
Generatoren im Kraftwerksbereich weisen unter anderem im Bereich des Wickelkopfes Schwingungen in der doppelten Netzfrequenz auf. Bei zu hohen Amplituden der Stabschwingungen können Schäden an der Isolierung bzw. am Kupfer auftreten, die eine Wartung des Generators erforderlich machen können. Da sich der Wickelkopf auf Hochspannungspotenzial befindet, werden zur Überwachung solcher Schwingungen zunehmend faseroptische Beschleunigungssensoren eingesetzt (sog. FOA = fiber optical accelerometer).
Der aus der DE 10 2010 019 813 A1 bekannte Beschleunigungssensor verwendet den Ansatz, die Auslenkung eines freistehenden Endes einer optischen Faser in eine Intensitätsänderung eines Lichtsignals umzuwandeln, indem das freistehende Ende der Faser auf einen gekippten Spiegel gerichtet ist. Bei diesem Sensorprinzip wird die Resonanzfrequenz des Sensors durch das Elastizitätsmodul, das Flächenträgheitsmoment, der Dichte und der Länge der freistehenden Faser definiert. Die Empfindlichkeit des Sensors entspricht der Auslenkung am Faserende und wird durch die gleichen Parameter beschrieben. Äußere Einflüsse wie beispielsweise die Temperatur verändern die Genauigkeit des Signals.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Beschleunigungssensor anzugeben, bei dem der Einfluss der Temperatur des Sensors auf die Genauigkeit des Signals vermindert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen faseroptischen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße faseroptische Beschleunigungssensor umfasst eine optische Faser, die ein freistehendes Ende aufweist, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Beschleunigung in Schwingungen versetzt wird, und diese Schwingungen als Maß für die Beschleunigung detektiert werden. Er umfasst weiterhin eine Lichtquelle zur Emission von sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht in die optische Faser an einem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser, einen Spiegel, der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser zurückzuwerfen sowie eine Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfenem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser. Erfindungsgemäß weist der Kern der optischen Faser ein Bragg-Gitter im freistehenden Ende auf.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass sich mittels eines Bragg-Gitters, das nahe dem Ende der optischen Faser in deren Kern eingeschrieben ist, die Temperatur der optischen Faser ausmessen lässt. Dabei ist vorteilhaft kein zusätzlicher mechanisch anzubringender Sensor nötig. Weiterhin entspricht die gemessene Temperatur soweit das möglich ist der tatsächlichen Sensortemperatur, die auch das Messsignal für die Beschleunigung beeinflusst. Schließlich ist besonders vorteilhaft, dass das Bragg-Gitter mit seiner optischen Auswertung immun gegen elektrische Einflüsse ist und auch nach außen hin keine elektrischen Störungen verursacht.
Zweckmäßig ist die Detektionseinrichtung ausgestaltet zur Auswertung eines Reflektionssignals des Bragg-Gitters. Dafür wird das für die Detektion der Beschleunigung ohnehin eingesandte Licht mitverwendet oder ein eigenes Lichtsignal zusätzlich eingespeist. Eine spektrale Auswertung des Reflexes des Bragg-Gitters ergibt dann die Temperatur der optischen Faser am Ort des Bragg-Gitters.
Die optische Faser kann als Singlemode-Wellenleiter ausgestaltet sein. Das ermöglicht eine vereinfachte Auswertung der Temperatur aus dem Reflektionssignal des Bragg-Gitters. Die optische Faser kann alternativ als Multimode-Wellenleiter ausgestaltet sein. Vorteilhaft ist dann die Signalqualität bezüglich der Beschleunigungsmessung besser als bei einem Singlemode-Wellenleiter.
Die optische Faser kann als Mehrkernfaser mit einem Singlemode-Kern und wenigstens einem Multimode-Kern ausgestaltet sein. Der Singlemode-Kern mit einem Durchmesser von beispielsweise 9 µm umfasst das Bragg-Gitter und dient der Abfrage der Temperatur. Der oder die Multimode-Kerne dienen der Leitung von Strahlung zum freistehenden Ende der optischen Faser für die Beschleunigungsmessung.
Alternativ oder zusätzlich zur Ausgestaltung mit mehreren Kernen kann die optische Faser eine Doppelmantelfaser sein mit einem oder mehreren Kernen, einem inneren Mantel und einem äußeren Mantel. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die numerische Apertur des inneren Mantels größer als die des Kerns oder der Kerne gewählt wird, die der Leitung der Strahlung für die Beschleunigungsmessung dienen. Damit wird erreicht, dass ein größerer Anteil der vom Spiegel reflektierten Strahlung für die Rückrichtung von der optischen Faser eingefangen werden kann und somit ein verbessertes Signal erreichbar ist, da das am Spiegel reflektierte Licht auf die Faserendfläche trifft und dort von dem inneren Mantel bei größerer numerischer Apertur auch unter deutlich größeren Winkeln eingekoppelt und geführt werden kann als mit einer einfachen optischen Faser. Insbesondere kann der Spiegel bei einem vorgegebenen Leistungsverlust in einem größeren Winkel verkippt werden, was für ein stärkeres Beschleunigungssignal sorgt.
Ein vorteilhafter Bereich für die numerische Apertur des Kerns oder der Kerne für die Leitung der Strahlung für die Beschleunigungsmessung ist 0,075 bis 0,14. Ein vorteilhafter Bereich für die numerische Apertur des inneren Mantels ist 0,22 bis 0,5. Der innere Mantel ist vorteilhaft als Multimode-Wellenleiter ausgestaltet.
Bevorzugt ist das Bragg-Gitter nahe dem freistehenden Ende der optischen Faser, beispielsweise in den dem Faserabschluss des freistehenden Endes der Faser nächstliegenden 25 % der optischen Faser angeordnet.
Größen für den oder die Multimode-Kerne der optischen Faser können beispielsweise 50 µm oder 62,5 µm als Multimode-Kern sein oder beispielsweise 25 µm als Zwischengröße, sog. Few-Mode. Der innere Mantel als Multimode-Kern kann sowohl Standard-Größen wie 62,5µm für den Fall eines einzelnen Single-Mode Kerns als auch größere Durchmesser wie beispielsweise 200µm oder 400µm aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung umfassen:

– Um die Resonanzfrequenz ausreichend hoch gegenüber der Betriebsfrequenz zu halten, typischerweise 400 Hz, ist die Länge der Faser zweckmäßig klein genug zu wählen. Für eine hohe Empfindlichkeit hingegen ist eine möglichst große Faserlänge vorteilhaft. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für eine Standard-Multimode-Faser 62/125 µm eine Faserlänge zwischen 12 und 18 mm für das freistehende Ende verwendet. Insbesondere wird eine Faserlänge von zwischen 15 und 17 mm gewählt und gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Faserlänge 16 mm. Eine Faserlänge von 16 mm hat sich als vorteilhaft bezüglich der Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit herausgestellt.
– Als Schwungmasse dient bevorzugt nur das Eigengewicht der optischen Faser.

Um Rückreflexionen an der Abschlussfläche der optischen Faser zu vermeiden, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein 8°-Bruch der Endfläche verwendet. Die azimutale Orientierung des Faserendes relativ zum Spiegel wird zweckmäßig so gewählt, dass der Bruch und die Spiegelfläche den maximal möglichen Winkel einschließen. Mit anderen Worten bilden Bruch und Spiegelfläche die Form eines „V“. Durch die schräge Abschlussfläche wird das Licht etwas nach unten – unten mit Bezug auf die Form des „V“ – aus der Faser gebrochen, um ca. 3,5°. Dadurch wird der effektive Einstrahlwinkel auf den Spiegel verringert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Spiegel um zwischen 9° und 13° gekippt. Die azimutale Orientierung des Faserendes relativ zum Spiegel wird zweckmäßig wieder so gewählt, dass der Bruch und die Spiegelfläche den maximal möglichen Winkel einschließen. Mit anderen Worten bilden Bruch und Spiegelfläche ein die Form eines „V“. Insbesondere wird der Spiegel um 11° gekippt.
Alternativ können Spiegel und Faserende auch so zueinander angeordnet sein, dass der eingeschlossene Winkel minimiert wird. Mit anderen Worten bilden die schräge Spiegelfläche und der Bruch eine Parallelogramm-artige Anordnung.
Vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der Glasfaser vom Spiegel zwischen 25 und 75 µm beträgt. Mit der beschriebenen Konfiguration ergibt sich vorteilhaft eine relativ lineare Sensorkennlinie zwischen Beschleunigungswerten von 0 und 10 g mit einer Empfindlichkeit von etwa 1 %/g.
Zur Vereinfachung des Aufbaus sind alle Elemente des Sensorkopfes vorzugsweise zylindersymmetrisch ausgeführt. Der zylindrische Sensor wird dann in einen rechteckigen Block eingesetzt. Als Zuleitung fungiert beispielsweise ein Teflonschlauch von 3–5 mm Durchmesser, in dem die Glasfaser lose verlegt ist. Am Ende der Zuleitung befindet sich ein Stecker für Lichtwellenleiter, beispielsweise Typ FC-APC oder E-2000.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Dabei zeigen
1 einen faseroptischen Beschleunigungssensor mit einer Glasfaser und einem Spiegel;
2 einen Ausschnitt des faseroptischen Beschleunigungssensors in vergrößerter Darstellung;
3 einen Längsschnitt durch eine Glasfaser;
4 einen Längsschnitt durch eine Doppelmantelfaser;
5 einen Querschnitt durch eine Mehrkernfaser.
Der in 1 gezeigte faseroptische Beschleunigungssensor 10 umfasst als ein wesentliches Element eine Glasfaser 11. Diese ist als Doppelmantelfaser ausgeführt. Ein 16 mm langer Abschnitt der Glasfaser 11 ist freistehend. Am Ende dieses Abschnitts endet die Glasfaser 11. Im Anschluss an den freistehenden Abschnitt ist die Glasfaser 11 in einem Führungselement 16 fixiert. Im weiteren Verlauf ist die Glasfaser 11 lose in einem 3,7 mm durchmessenden Teflonschlauch 15 geführt.
Das Ende des Teflonschlauchs 15 ist zusammen mit dem Führungselement 16 von einer ersten Hülse 19 umfasst. Um die erste Hülse 19 ist eine zweite Hülse 12 vorgesehen. Die zweite Hülse 12 erstreckt sich vom Bereich der ersten Hülse über den freistehenden Abschnitt der Glasfaser 11 hinweg. Stirnseitig, d.h. dort, wo die Glasfaser 11 endet, findet die zweite Hülse 12 einen unter einem Winkel von 11° angeschrägten Abschluss, der sich bei der zylinderförmigen zweiten Hülse 12 in einem kreisringförmigen, angeschrägten Ende 17 zeigt. Die zweite Hülse 12 selbst ist an dieser Stelle offen, wird aber durch einen Al-Glas-Spiegel 14 abgeschlossen. Der Al-Glas-Spiegel 14 ist per Klebung auf dem abgeschrägten Ende befestigt, so dass der Al-Glas-Spiegel 14 selbst schräg zur Normal-Ebene der Faserachse angebracht ist.
Ein quaderförmiges Element 13 umschließt den bisher beschriebenen Aufbau von der Höhe des Al-Glas-Spiegel 14 bis zur ersten Hülse 19. Durch die Hülsen 19, 12 und das quaderförmige Element 13 sowie den Al-Glas-Spiegel 14 und das Führungselement 16 wird der freistehende Abschnitt der Glasfaser 11 völlig von der Außenwelt abgeschlossen, so dass keine Störeinflüsse von außen auf eine Messung wirken.
Das quaderförmige Element 13 und die Hülse 12 können auch zu einem einzigen Bauelement verschmolzen sein.
Eine vergrößerte, aber nicht maßstabsgetreue Darstellung des Endes der Glasfaser 11 in Relation zum Al-Glas-Spiegel 14 zeigt die 2. In die Glasfaser 11 eingestrahltes Licht tritt aus dieser aus in eine Freistrahlstrecke. Am Al-Glas-Spiegel 14 wird das Licht reflektiert und ein Teil des Lichts tritt wieder in die Glasfaser 11 ein.
Der Al-Glas-Spiegel 14, der in der gezeigten Vergrößerung in 2 nicht mehr vollständig abgebildet ist, ist in einem Winkel 18 von 11° zur Normalebene der Glasfaserachse angeordnet. Der Abstand 21 zwischen dem Ende der Glasfaser 11 und dem Al-Glas-Spiegel 14 beträgt in diesem Beispiel 50 µm.
3 zeigt einen Längsschnitt durch die Glasfaser 11. Die Glasfaser 11 umfasst einen Mantel 100 und einen Singlemode-Kern 101. 3 zeigt noch einmal, dass die Glasfaser 11 mit einem Winkel 20 zur Senkrechten endet. Nahe dem Ende der Glasfaser 11 ist das Bragg-Gitter 105 in den Singlemode-Kern 101 eingeschrieben. Die Distanz zum Ende der Glasfaser 11 ist dabei nicht maßstäblich dargestellt.
Eine Abfrage der Temperatur der Glasfaser 11 erfolgt, indem Strahlung mit Anteilen im Bereich der Reflexionswellenlänge des Bragg-Gitters 105 in die Glasfaser 11 eingespeist wird und reflektierte Strahlung aufgenommen wird. Die reflektierte Strahlung zeigt dabei eine Leistungsspitze bei der Reflexionswellenlänge des Bragg-Gitters 105, wobei die Reflexionswellenlänge des Bragg-Gitters 105 von der Temperatur der Glasfaser 11 abhängt.
Die hierfür verwendete Strahlung kann dieselbe Strahlung sein, die auch für die Messung der Beschleunigung verwendet wird. Alternativ kann auch eine eigene Strahlungsquelle verwendet werden, die speziell für die Messung der Temperatur Strahlung in die Glasfaser 11 einspeist.
Die Glasfaser 11 kann auch durch andere Ausgestaltungen von optischen Fasern ersetzt werden. Ein Beispiel für eine weitere Ausgestaltung der optischen Faser zeigt 4. Die in 4 gezeigte optische Faser 40 ist eine Doppelmantelfaser 35, die einen Kern 30, einen inneren Mantel 31 und einen äußeren Mantel 32 umfasst. Der hier gezeigte Kern 30 ist als Multimode-Kern ausgestaltet und hat einen Durchmesser von 62,5 µm, während der Durchmesser des inneren Mantels 200 µm beträgt. Der Kern 30 dient der Hinleitung des Lichts zum freistehenden Ende der Doppelmantelfaser 35 und somit zum Al-Glas-Spiegel 14. Der Kern 30 umfasst wiederum nahe dem Ende der Doppelmantelfaser 35 das Bragg-Gitter 105.
Der Kern 30 ist so gestaltet, dass er eine geringe numerische Apertur und daher einen geringen Abstrahlwinkel 33 aufweist. Beispielsweise beträgt die numerische Apertur hier 0,1. Der innere Mantel 31 weist eine größere numerische Apertur auf und damit einen größeren Akzeptanzwinkel 34, unter dem Licht eingekoppelt werden kann. Beispielsweise beträgt die numerische Apertur hier 0,3. 3 gibt die Abstrahlwinkel oder Akzeptanzwinkel nicht winkeltreu wieder. Im inneren Mantel wird der vom Al-Glas-Spiegel 14 zurückgeworfene Lichtstrahl wieder eingekoppelt und zurück zum Detektor geleitet.
Vorteilhaft kann durch die Verwendung und Ausgestaltung der Doppelmantelfaser 35 der Winkel 18, unter dem der Al-Glas-Spiegel 14 relativ zur senkrechten Anordnung gekippt ist, vergrößert werden. So kann anstelle eines ansonsten bevorzugten Winkels von beispielsweise 11° ein Winkel 12° oder mehr, insbesondere 15° gewählt werden. Die dabei verlorene Lichtleistung ist nicht so groß, wie es bei Verwendung einer einfachen optischen Faser wie der Glasfaser 11 der Fall wäre und wird aufgewogen und übertroffen durch den Gewinn an Signalauflösung durch den vergrößerten Winkel und die damit verbundene vergrößerte Signalstärke bei Auslenkung der Doppelmantelfaser 35.
Gleichzeitig erlaubt die Auslesung der Temperatur der Doppelmantelfaser 35 durch das Bragg-Gitter 105 eine weitere Erhöhung der Genauigkeit des gemessenen Beschleunigungswerts.
Eine weitere Ausgestaltung für die optische Faser ist in 5 in einem nicht maßstäblichen Querschnitt dargestellt. Bei der Mehrkernfaser 50 handelt es sich ebenfalls um eine Doppelmantelfaser mit einem äußeren Mantel 51 und einem inneren Mantel 52. Der innere Mantel 52 umschließt jetzt jedoch einen Singlemode-Kern 53 und drei Multimode-Kerne 54, die nebeneinander angeordnet sind.
Das Bragg-Gitter 105 ist im Singlemode-Kern 53 angeordnet. Im Singlemode-Kern 53 ist die Reflexionswellenlänge des Bragg-Gitters 105 vorteilhafterweise einfacher abzufragen als in einem Multimode-Kern.
Die Multimode-Kerne 54 dienen der Leitung der Strahlung für die Messung der Beschleunigung, also in Richtung des Al-Glas-Spiegels 14. Durch die Verwendung von drei Multimode-Kernen 54 wird eine gute Ausleuchtung des inneren Mantels 52 nach Reflexion der Strahlung durch den Al-Glas-Spiegel 14 erreicht und möglichst viel Strahlung für eine hohe Signalqualität transportiert.
In einer alternativen Ausgestaltung könnte auch ein einzelner Multimode-Kern 54 verwendet werden, der bevorzugt zentral im inneren Mantel 52 angeordnet ist und somit für eine symmetrischere Ausleuchtung des inneren Mantels 52 sorgt, während der Singlemode-Kern 53 dezentral angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010019813 A1 [0003]

Claims

Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) mit – einer optischen Faser (11, 35, 50), die ein freistehendes Ende aufweist, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Beschleunigungen in Schwingungen versetzbar ist, – einer Lichtquelle zur Emission von sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht in die optische Faser (11, 35, 50) an einem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser (11, 35, 50), – einem Spiegel (14), der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser (11, 35, 50) zurückzuwerfen, – einer Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfenem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser (11, 35, 50), dadurch gekennzeichnet, dass – der Kern (30, 53, 54, 101) der optischen Faser (11, 35, 50) ein Bragg-Gitter (105) im freistehenden Ende aufweist.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß Anspruch 1, bei dem die Detektionseinrichtung ausgestaltet ist zur Auswertung eines Reflektionssignals des Bragg-Gitters (105).
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die optische Faser (11, 35, 50) als Singlemode-Wellenleiter ausgestaltet ist.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die optische Faser (11, 35, 50) eine Doppelmantelfaser (35, 50) mit einem Kern (30, 53, 54, 101), einem inneren Mantel (31, 52) und einem äußeren Mantel (32, 51) ist.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß Anspruch 4, bei dem die numerische Apertur des Kerns (30, 53, 54, 101) im Bereich von 0,075 bis 0,14 liegt und die numerische Apertur des inneren Mantels (31, 52) im Bereich von 0,22 bis 0,5 liegt.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Singlemode-Kern (53), in dem das Bragg-Gitter (105) angeordnet ist und wenigstens einem Multimode-Kern (54).
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Länge des freistehenden Endes zwischen 12 und 18 mm beträgt, insbesondere zwischen 15 und 17 mm.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Abschlussfläche des freistehenden Endes durch einen Bruch der optischen Faser (11, 35, 50) gebildet wird, der einen Winkel von zwischen 5° und 18°, insbesondere zwischen 12° und 18°, zur Ebene aufweist, die senkrecht auf der Faserachse steht.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Verkippungsachsen vom Bruch der optischen Faser (11, 35, 50) und vom Spiegel (14) gegenüber der Ebene senkrecht auf der Faserachse zueinander parallel ausgerichtet sind.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Abstand zwischen der Faserabschlussfläche und dem Spiegel (14) zwischen 25 µm und 75 µm beträgt.
Faseroptischer Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als Schwungmasse nur das Eigengewicht der optischen Faser (11, 35, 50) dient.
Elektrische Maschine, insbesondere Generator, mit wenigstens einem faseroptischen Beschleunigungssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.