Faseroptische Hochtemperatur­sensoren: sieben Auswahlkriterien

Die zulässige Höchsttemperatur einer faseroptischen Hochtemperatursonde gilt nicht automatisch für jedes Teil der Messkette. Messspitze, Faser, Schutzmaterialien und Auswertegerät müssen zur tatsächlichen Anwendung passen. Entscheidend sind der Ort der thermischen Belastung, der Sondenaufbau, die Faserführung, die erforderliche Genauigkeit und Ansprechzeit sowie die Kompatibilität mit dem Auswertegerät.

Wichtige Erkenntnisse

• Die maximale Sensortemperatur ist nur ein Auswahlfaktor. Es beschreibt nicht die gesamte Anwendung.
• Sensorspitze, Sondenkörper, Faser und Schutzhülle können unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein.
• Die Punkterkennung misst nur den ausgewählten physischen Standort. Eine Messspitze ist ein definierter Messpunkt.
• Genauigkeit und Reaktion sollten im erforderlichen Betriebsbereich überprüft werden, nicht anhand der Bereichsspezifikation angenommen werden.
• Die Glasfaserführung kann genauso wichtig sein wie die Fähigkeit der Sensorspitze.
• Die Sonde und das Auswertegerät müssen eine kompatible Sensortechnologie verwenden.
• Mehrere unabhängige Punkte erfordern mehrere Sonden und kompatible aktive Kanäle.

Was ist ein faseroptischer Hochtemperatur­sensor?

Ein faseroptischer Hochtemperatur­sensor ist ein faseroptischer Temperatur­sensor, der für die Temperatur­messung an Punkten mit erhöhter Temperatur entwickelt oder konfiguriert ist. Der Begriff hat keinen einheitlichen Standardschwellenwert. Was als „hoch“ gilt, hängt von der Anwendung, der Sonde und dem Instrument ab.

Die Nennwerte für Temperatur­messfühler sind unabhängig von den Nennwerten für Kommunikations­fasern oder optische Kabel. In einem Fluoreszenz-Punktmessungssystem sieht die Messkette wie folgt aus:

Sensorspitze
   ↓
optische Faser
   ↓
Auswertegerät
   ↓
Temperatur­daten

Die Messspitze ist der definierte Temperatur­messpunkt. Die optische Faser überträgt optische Signale zwischen der Spitze und dem Instrument. Die Faser misst die Temperatur nicht automatisch entlang ihrer Länge. Das Prinzip dahinter wird in Temperatur­messung mit fluoreszierenden Glasfasern erläutert: Das Instrument liest die optische Reaktion der Messspitze und leitet daraus die Spitzentemperatur ab.

1. Bestätigen Sie den erforderlichen Temperatur­bereich

Direkte Antwort: Definieren Sie die Temperatur, die der Messpunkt tatsächlich erfährt, und vergleichen Sie sie dann mit dem verifizierten Bereich des Sensors.

Beginnen Sie damit, vier Werte aufzuschreiben, wo sie zutreffen:

• erwartete Mindesttemperatur
• normale Betriebstemperatur
• maximal erwartete Temperatur
• Temperatur­spitzen von kurzer Dauer, sofern der Prozess sie vorsieht

Die Frage lautet nicht: „Was ist die höchste verfügbare Sensorspezifikation?“ Die bessere Frage lautet: „Welche Temperatur erfährt der eigentliche Messpunkt?“ Die Anwendungsanforderungen und die maximale Nennleistung des Sensors sind unterschiedliche Dinge. Ein Sensor, der den Maximalwert, aber nicht den normalen Betriebsbereich abdeckt, oder einer, der nur geringfügig für den tatsächlichen Spitzenwert ausgelegt ist, ist möglicherweise keine gute Wahl.

Temperatur­spitzen sind wichtig, da ein kurzer Spitzenwert die Sonde immer noch belasten kann. Bestätigen Sie mit dem Lieferanten, wie die spezifische Sonde das Temperatur­profil Ihres Prozesses verarbeitet, anstatt sich auf eine einzige Zahl zu verlassen. Die Temperatur­grenze hängt von der jeweiligen Sonde, dem Sensormaterial, der Konstruktion und dem Instrument ab. Weitere Informationen zur Definition und Auswahl des Bereichs finden Sie unter Bereich faseroptischer Temperatur­sensoren.

Auswahlfrage: Was sind die Mindest-, Normal-, Höchst- und Abweichungstemperaturen am genauen zu messenden Punkt?

2. Überprüfen Sie die Sondenspitze und den Sondenaufbau

Direkte Antwort: Das Sensorprinzip kann erhöhte Temperaturen unterstützen, aber auch die gesamte Sonde muss geeignet sein.

Die Hochtemperatur­fähigkeit hängt nicht nur vom Sensormaterial ab. Eine Sonde ist eine zusammengesetzte Baugruppe, und jedes Teil muss der Anwendung standhalten. Je nach Design kann Folgendes relevant sein:

• die Sondenspitze
• das Sondengehäuse
• ein Schutzrohr
• Beschichtungen
• die Klebe- oder Klebemethode
• Mechanischer Schutz

Eine Sonde, deren Sensorelement bei erhöhter Temperatur reagieren kann, kann dennoch durch einen anderen Teil seiner Konstruktion eingeschränkt sein. Für unterschiedliche Einbaubedingungen gibt es unterschiedliche Sondenstrukturen. Welche die richtige ist, hängt davon ab, wie die Sonde montiert ist, was sie berührt und was sie ausgesetzt ist. Sie können sich die verfügbaren Strukturen in der Kategorie faseroptische Temperatur­sonden ansehen.

Vermeiden Sie Annahmen über Materialien. Sonden sind nicht alle auf die gleiche Weise aufgebaut. Überprüfen Sie daher die Konstruktion der jeweiligen Sonde anhand der Bedingungen an Ihrem Messpunkt.

Auswahlfrage: Ist jeder Teil der Sonde, nicht nur das Sensorelement, für die Temperatur und Umgebung am Installationsort spezifiziert?

3. Überprüfen Sie die Temperatur­beständigkeit der Faser und des Schutzmantels

Direkte Antwort: Die Temperatur der Sensorspitze entspricht nicht unbedingt der Temperatur entlang der Faserroute. Überprüfen Sie daher die Faser und den Mantel separat.

Zwei Situationen kommen häufig vor. In einem Fall befindet sich der Messpunkt innerhalb einer heißen Zone, während die Faser diese Zone verlässt und einen kühleren Überwachungsort erreicht. Im anderen Fall wird ein längerer Faserabschnitt auf seinem Weg einer erhöhten Temperatur ausgesetzt. Diese benötigen unterschiedliche Prüfungen.

Bestätigen Sie die folgenden Punkte jeweils einzeln:

• Sensorspitzenfähigkeit
• Fähigkeit des Sondenkörpers
• Faserbeschichtungsfähigkeit
• Schutzmantelfähigkeit
• Anschlussposition und Umgebungstemperatur
• die externe Routing-Umgebung

Hohe Temperatur an der Sonde bedeutet nicht, dass die gesamte Faser die gleiche Temperatur hat

Die Fluoreszenz­punktmessung misst die Temperatur an der Sensorspitze. Die Faser ist der optische Signalweg. Es wird kein Temperatur­profil entlang seiner Länge gemeldet.

Dadurch ist die Temperatur­belastung der Faser nicht unerheblich. Der Faserummantelung, dem Mantel und den Anschlüssen unterliegen weiterhin materielle und mechanische Grenzen. Die Route muss hinsichtlich der Temperatur bewertet werden, der jeder Abschnitt tatsächlich ausgesetzt ist.

Auswahlfrage: Welche Abschnitte der Faser und des Mantels gelangen in die heiße Zone und sind sie für diese Belastung ausgelegt?

4. Überprüfen Sie die Genauigkeit bei der erforderlichen Temperatur

Direkte Antwort: Reichweite und Genauigkeit sind separate Auswahlkriterien. Überprüfen Sie daher die Genauigkeit dort, wo die Anwendung ausgeführt wird.

Eine Sonde, die einen großen Bereich abdeckt, ist nicht automatisch über den gesamten Bereich genau. Entscheidend ist, wie die Messung in dem Teil des Bereichs funktioniert, den Ihr Prozess nutzt, insbesondere in der Nähe der Kontroll- oder Alarmpunkte.

Die Messleistung gehört auch zur gesamten Kette und nicht nur zur Faser. Es hängt davon ab:

• die Sonde
• der optische Pfad
• das Auswertegerät
• Kalibrierung

Überprüfen Sie die verifizierten Genauigkeitsspezifikationen für die ausgewählte Sonden- und Instrumentenkonfiguration und bestätigen Sie, dass sie für die von Ihnen gewünschte Temperatur gelten.

Auswahlfrage: Welche Genauigkeit wird für diese Kombination aus Sonde und Instrument bei meiner Betriebstemperatur überprüft und benötigt die Anwendung diese tatsächlich?

5. Passen Sie die Reaktionszeit an den thermischen Prozess an

Direkte Antwort: Ein Sensor mit einem breiten Hochtemperatur­bereich ist nicht automatisch für einen sich schnell ändernden Prozess geeignet.

Die Reaktionszeit hängt von mehreren praktischen Faktoren ab:

• Sondengeometrie
• thermische Masse
• thermischer Kontakt mit dem Ziel
• Installationsmethode
• das Zielmaterial
• die Dynamik des Prozesses

Als Konzept stellt die langsame thermische Überwachung eines großen erhitzten Körpers nur geringe Anforderungen an die Reaktion. Bei einem schnellen Erwärmungsprozess ist das anders, da eine Sonde, die langsam reagiert, möglicherweise hinter der tatsächlichen Temperatur zurückbleibt und schnelle Änderungen nicht ausreichend meldet. Der thermische Kontakt ist genauso wichtig wie die Sonde selbst: Eine gut gebaute Sonde mit schlechtem Kontakt misst immer noch langsam.

Definieren Sie zunächst die Prozessdynamik und fragen Sie dann, welche Reaktion der Probe in dieser Installation liefern muss. Weitere Informationen zur Definition der Reaktion finden Sie unter Reaktionszeit faseroptischer Temperatur­sensoren.

Auswahlfrage: Wie schnell ändert sich die Temperatur an dieser Stelle und kann die wie geplant montierte Sonde dieser folgen?

6. Planen Sie die Faserlänge und -führung

Direkte Antwort: Wählen Sie die Faserlänge so, dass sie der tatsächlichen Verlegung folgt, nicht umgekehrt.

Gehen Sie den Weg vom Erfassungs­punkt zum Instrument und notieren Sie sich jede Etappe:

• die Entfernung vom Erfassungs­punkt zum Auswertegerät
• internes Routing innerhalb des Geräts
• die Durchführungsstelle
• externes Routing
• Knickschutz
• Mechanischer Schutz
• die Länge der Faser, die durch die Hochtemperatur­zone verläuft
• die Steckerposition
• Servicezugang für Wartung

Die Auswahl einer Länge vor der Planung der Route führt oft dazu, dass die Faser zu kurz ist, um das Instrument zu erreichen, oder zu lang, um sie sicher zu bewältigen. Die Länge wirkt sich auch auf Punkt 3 aus: Ein längerer Weg durch eine heiße Region bedeutet, dass mehr Fasern und Mantel für diese Exposition geeignet sind. Die Glasfaserlänge sollte der tatsächlichen Route entsprechen, unter Berücksichtigung des Servicezugangs.

Weitere Informationen zur Angabe von Sondenlänge und -struktur finden Sie unter Länge und Struktur von faseroptischen Temperatur­sonden.

Auswahlfrage: Was ist der tatsächliche Weg vom Messpunkt zum Instrument und wo entlang des Weges befinden sich die heißen Abschnitte, Biegungen und Anschlüsse?

7. Bestätigen Sie die Kompatibilität des Überwachungs­geräts

Direkte Antwort: Eine Hochtemperatur­sonde kann nicht getrennt von ihrem Auswertegerät ausgewählt werden.

Eine Fluoreszenz­lebensdauersonde erfordert ein kompatibles Fluoreszenz­messgerät. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein Glasfaser-Interrogator jeden optischen Temperatur­sensor auslesen kann. Verschiedene faseroptische Temperatur­technologien nutzen unterschiedliche optische Prinzipien, zum Beispiel Fluoreszenz­lebensdauer, GaAs-Absorption, FBG und verteilte Temperatur­messung, und sie werden nicht automatisch von demselben Instrument gemessen.

Überprüfen Sie Folgendes:

• Sensortechnologie
• optische Kompatibilität
• Kanalanzahl
• Sondenkompatibilität
• der erforderliche Messbereich
• Datenausgabe
• Überwachungsintegration

Das Instrument ist auch der Ort, an dem Temperatur­daten in nutzbare Ergebnisse umgewandelt werden. Informationen zur Instrumentenseite finden Sie unter faseroptische Temperatur­transmitter und -Hosts. Das Ziel besteht hier lediglich darin, zu überprüfen, ob die Sonde und das Instrument für die Zusammenarbeit konzipiert sind.

Auswahlfrage: Ist diese Sonde für den Einsatz mit diesem Instrument konzipiert und stellt das Instrument die Kanäle und Ausgänge bereit, die das Projekt benötigt?

Checkliste für die Auswahl von Hochtemperatur-faseroptische Sensoren

Eine praktische Auswahlsequenz

1. Definieren Sie den physischen Messpunkt.
2. Definieren Sie die normale und maximal erwartete Temperatur.
3. Bestimmen Sie, wie viel von der Sonde und der Faser hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
4. Bestätigen Sie die erforderliche Genauigkeit.
5. Definieren Sie die Prozessreaktionsanforderungen.
6. Planen Sie die Glasfaserroute.
7. Zählen Sie die unabhängigen Messpunkte.
8. Passen Sie die Sonden an ein kompatibles Auswertegerät an.
9. Bestätigen Sie die erforderliche Ausgabe und Systemintegration.

Diese Sequenz ist spezifisch für Punkte mit erhöhter Temperatur. Einen umfassenderen Prozess, der auch normale Temperatur­anwendungen abdeckt, finden Sie unter Auswahl eines faseroptischen Temperatur­sensors.

Wie viele faseroptische Hochtemperatur­sensoren werden benötigt?

Die Anzahl hängt davon ab, wie viele unabhängige Messpunkte die Anwendung hat. Für die Punkterkennung gilt folgende Beziehung:

1 unabhängiger Messpunkt
≈ 1 Sonde
≈ 1 kompatibler aktiver Messkanal

Zum Beispiel würden vier ausgewählte Punkte normalerweise vier Sonden und mindestens vier kompatible Kanäle benötigen. Dies ist ein Konfigurationsbeispiel, keine universelle Regel.

Mehrere Sonden machen das System nicht zu einem verteilten Temperatur­erfassungs­system. Sie bieten mehrere unabhängige Punktmessungen, jeweils an einem vom Ingenieur gewählten Ort. Eine einzelne Sonde repräsentiert nur ihren eigenen Messpunkt, keinen großen thermischen Bereich. Wenn mehrere Punkte ein System versorgen, wird die Instrumenten- und Softwareseite Teil eines faseroptische Temperatur­überwachungs­systems.

Hohe Temperaturen sind nicht immer der schwierigste Teil der Anwendung

Viele Projekte kombinieren erhöhte Temperaturen mit anderen Bedingungen, die die Wahl beeinflussen:

• Hochspannung
• starke elektro­magnetische Störungen
• HF- oder Mikrowellenfelder
• starke Magnetfelder
• begrenzter Installationsraum
• schnelle Temperatur­änderung
• Mechanische Vibration
• chemische Belastung

Wählen Sie eine Sonde nicht nur basierend auf der Maximaltemperatur aus. In einigen Anwendungen ist der begrenzende Faktor eher der Installationsraum, die elektrische Umgebung oder die chemische Einwirkung als die Hitze selbst. Die optische Messkette wird häufig verwendet, da der Messpunkt elektrisch isoliert bleiben kann und der optische Signalpfad eine hohe Beständigkeit gegenüber elektro­magnetischen Störungen aufweist. Der breitere Messkontext wird unter faseroptische Temperatur­messung.

Wo Hochtemperatur-faseroptische Sensoren verwendet werden können

Dies sind Bereiche, in denen eine Punktmessung bei erhöhter Temperatur erforderlich sein kann. In diesen Bereichen kommt es nicht immer zu hohen Temperaturen.

• Industrielle Heizung: Punktmessung innerhalb beheizter Geräte oder Prozesse.
• Elektrische Hochspannungs­geräte: Temperatur­punkte, an denen eine elektrische Isolierung erforderlich ist.
• Leistungselektronikprüfung: Messungen an heißen Bauteilen während der Prüfung.
• HF- und Mikrowellenerwärmung: Messung in Feldern, die elektrische Sensoren stören können.
• Thermische Labortests: kontrollierte Punktmessung in Testaufbauten.
• Ausgewählte Transformator- und Motormesspunkte: spezifische interne Orte von Interesse.

Häufige Fehler bei der Auswahl eines Hochtemperatur-Glasfasersensors

1. Es wird nur die maximale Temperaturzahl betrachtet. Die Zahl beschreibt nicht die Sondenkonstruktion, die Faserfreilegung, die Genauigkeit oder die Reaktion.
2. Die Temperatur­belastung der Faser und der Schutzhülle wird ignoriert. Die Messspitze ist möglicherweise nicht das einzige Teil, das der Hitze ausgesetzt ist.
3. Angenommen, Bereich und Genauigkeit sind die gleichen Spezifikationen. Ein großer Bereich bedeutet nicht, dass die Genauigkeitsanforderung an Ihrem Betriebspunkt erfüllt ist.
4. Wärmekontakt- und Reaktionsanforderungen werden ignoriert. Die Installation beeinflusst, wie schnell die Sonde dem Prozess folgt.
5. Auswahl der Glasfaserlänge vor der Planung der Verlegung. Die Route bestimmt, wie viel Glasfaser benötigt wird und wie sie freigelegt wird.
6. Vorausgesetzt, jede Sonde funktioniert mit jedem faseroptischen Instrument. Die Kompatibilität hängt vom Sensorprinzip und dem Instrumentendesign ab.
7. Angenommen, eine Sonde repräsentiert einen großen thermischen Bereich. Eine Sonde misst ihren eigenen Erfassungs­punkt.

Schlussfolgerung

Die Auswahl eines faseroptischen Hochtemperatur­sensors erfordert mehr als die Überprüfung des maximalen Temperatur­bereichs. Die wichtigsten zu bestätigenden Punkte sind der Temperatur­bereich am tatsächlichen Messpunkt, die Sondenkonstruktion, die Temperatur­belastung der Faser und des Mantels, die Genauigkeit bei Betriebstemperatur, die Reaktion auf den thermischen Prozess, die Faserroute und -länge sowie die Instrumentenkompatibilität.

Der richtige Sensor ist derjenige, dessen komplette Messkette den tatsächlichen thermischen und Einbaubedingungen entspricht.

Wenn Ihr Projekt eine Punkttemperatur­messung in einer Hochtemperatur-, Hochspannungs- oder elektro­magnetisch anspruchsvollen Umgebung erfordert, kann INNO Ihnen dabei helfen, die Anforderungen an den Messpunkt, die Sondenkonstruktion, die Faserführung und die Auswertegeräte zu überprüfen.

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