Ein faseroptischer Temperatursensor nutzt eine optische Faser und ein Sensorelement zur Temperaturmessung an einer ausgewählten Stelle. Bei der fluoreszenzbasierten Punktmessung befindet sich das temperaturempfindliche Material an der Sondenspitze. Anregungslicht gelangt durch die Faser zur Sonde; ein kompatibles Auswertegerät verarbeitet die zurücklaufende optische Antwort zu einem Temperaturwert.
Im Gegensatz zu PT100-Sensoren oder Thermoelementen ist der Erfassungspfad nicht auf ein elektrisches Temperaturmesssignal an der Sonde angewiesen. Das macht die faseroptische Temperaturmessung zu einer praktischen Wahl für Hochspannungsgeräte, starke elektromagnetische Felder, HF-/Mikrowellenumgebungen und andere Anwendungen, die eine elektrisch isolierte Messung erfordern. Herkömmliche Sensoren eignen sich immer noch für viele industrielle Aufgaben.
Was ist ein faseroptischer Temperatursensor?
Ein faseroptischer Temperatursensor misst die Temperatur eines ausgewählten Punktes, indem er Licht an ein Sensorelement sendet und die zurückkommende optische Reaktion liest. Der gemessene Wert ist eine Temperatur an diesem Punkt, kein Durchschnitt über eine Oberfläche oder ein Volumen.
Ein typisches punktförmiges faseroptisches Temperatursensorsystem umfasst:
- Sensorsonde
- Lichtwellenleiter
- Optionale Verlängerungsfaser
- Temperaturtransmitter / Demodulator
- Auswertegerät
Das Wort „Sensor“ wird auf dem Markt auf zwei Arten verwendet. Einige Anbieter verwenden es nur für die Sonde. Andere verwenden es für das gesamte Sonde-plus-Instrument-System. Wenn Sie Angebote vergleichen, achten Sie darauf, welches Angebot gemeint ist. Die Sonde ist das am Messpunkt installierte Element, während das Auswertegerät die optische Signalverarbeitung durchführt und die Reaktion in Temperaturdaten umwandelt.
Was befindet sich im Inneren des faseroptischen Temperaturfühlers?
Die Sonde besteht aus drei Funktionsteilen:
- Sondenspitze: enthält das temperaturempfindliche fluoreszierende Sensormaterial. Das ist der Wahrnehmungspunkt.
- Optische Faser: sendet Licht vom Instrument zur Spitze und gibt die optische Reaktion zurück.
- Gehäuse oder Schutzstruktur: sorgt für mechanischen Schutz, Positionierung und thermischen Kontakt mit dem Ziel.
Der Sondendurchmesser beträgt typischerweise etwa 2–3 mm und der Aufbau kann an die Ausrüstung und den Messpunkt angepasst werden. Das genaue Sensormaterial und die Formulierung sind herstellerspezifisch; Käufer benötigen normalerweise eher den verifizierten Betriebsbereich und die Anwendungskompatibilität der Sonde als die proprietäre Materialformulierung.
Wie funktioniert ein faseroptischer Temperatursensor?
Die Messung erfolgt in sechs Schritten:
- Das Auswertegerät sendet Licht durch die Glasfaser.
- Das Licht erreicht das temperaturempfindliche fluoreszierende Material an der Sondenspitze.
- Das Sensormaterial erzeugt eine optische Reaktion, die sich mit der Temperatur ändert.
- Die optische Reaktion wandert durch die Faser zurück.
- Das Auswertegerät analysiert die optische Reaktion.
- Das Gerät wandelt das Ergebnis in einen Temperaturwert um.
Die Temperatur wird anhand der Eigenschaften der Fluoreszenzreaktion und nicht anhand des elektrischen Widerstands oder der thermoelektrischen Spannung bestimmt. In fluoreszenzbasierten Systemen kann die Temperatur aus dem temperaturabhängigen Abklingverhalten der Fluoreszenzantwort bestimmt werden. Der Fühler benötigt keine aktive Elektronik am Messpunkt und erzeugt dort kein elektrisches Temperaturmesssignal.
Ausführlichere Informationen zur zugrunde liegenden Sensorplattform finden Sie auf der Seite Fluoreszierende faseroptische Temperatursensortechnologie.
Ist die optische Faser selbst der Temperatursensor?
Nicht ganz. Bei diesem Punktsensor befindet sich der definierte Tastpunkt an der Sondenspitze, wo das Tastelement sitzt. Die Faser überträgt hauptsächlich optische Signale zwischen der Sonde und dem Auswertegerät.
Dies unterscheidet sich von Sensortechnologien, bei denen die Faser entlang ihrer Länge als kontinuierliches Messmedium fungiert. Hier ist die Faser der Signalweg. Durch das Biegen, Verlegen und Ausdehnen ändert sich der Ort, an dem das Instrument sitzt, nicht der Ort, an dem die Temperatur gemessen wird.
Was ist punktuelle Temperaturmessung mit Glasfaser?
Punktmessung bedeutet, dass eine Sonde einem definierten physischen Messpunkt entspricht. Drei Sonden ergeben drei unabhängige Messpunkte, die normalerweise drei aktive Messkanäle nutzen.
Eine Sonde misst nicht den gesamten Transformator, Schrank oder die gesamte Kammer. Es meldet die Temperatur an der Sondenspitze. Um mehrere Standorte zu überwachen, benötigen Sie mehrere Sonden, die an ein Mehrkanal-Überwachungsgerät angeschlossen sind. Wo Sie die einzelnen Sonden platzieren, entscheidet daher darüber, wie nützlich der Messwert ist.
Was ist der Unterschied zwischen der Sonde und dem Auswertegerät?
| Komponente | Hauptfunktion | Typischer Standort |
|---|---|---|
| Faseroptischer Temperaturfühler | Misst die Temperatur an einem ausgewählten physischen Punkt | Innerhalb oder in der Nähe des Geräts |
| Glasfaser | Trägt das optische Signal | Zwischen Sonde und Instrument |
| Temperaturtransmitter / Demodulator | Verarbeitet die optische Antwort und wandelt sie in Temperaturdaten um | Schaltschrank oder Überwachungsort |
| Multikanal-Auswertegerät | Verarbeitet mehrere Sondenkanäle und kann Anzeige und Kommunikation bereitstellen | Kontrollraum, Schalttafel oder Geräteschrank |
Die Sonde stellt normalerweise weder RS485 noch Modbus direkt zur Verfügung. Die Kommunikation erfolgt normalerweise am Auswertegerät oder Sender.
Warum sorgt die faseroptische Temperaturmessung für elektrische Isolierung?
Der optische Messpfad verwendet am Erfassungspunkt keine leitende elektrische Messleitung. Das elektrische Potenzial am Messpunkt wird daher nicht über eine elektrische Sensorleitung zurück zum Gerät übertragen. Der optische Messpfad ist nicht leitend.
Dies eignet sich für Hochspannungsgeräte, spannungsführende Gebäude und Standorte mit starken elektrischen Feldern. Die faseroptische Sensorik trägt dazu bei, einen elektrisch isolierten Temperaturmesspfad bereitzustellen. Dadurch entfällt jedoch nicht die Notwendigkeit einer ordnungsgemäßen Isolierungskonstruktion, Abstände und Installationspraxis.
Wie widersteht der optische Sensorpfad EMI?
Optische Signale werden nicht in der gleichen Weise durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt wie leitfähige elektrische Messleitungen. Die faseroptische Sensorik eignet sich daher gut für Messungen in der Nähe von Hochspannungsgeräten, Motoren und Generatoren, HF- und Mikrowellenquellen, Leistungselektronik und anderen starken elektromagnetischen Umgebungen.
Das Limit ist erwähnenswert. Der optische Signalweg besitzt eine hohe elektromagnetische Störfestigkeit. Das Auswertegerät und seine Kommunikationsverkabelung sind immer noch elektronische Komponenten und erfordern eine normale technische Installation, wie z. B. eine ordnungsgemäße Erdung, Abschirmung und Kabelführung.
Faseroptischer Temperatursensor vs. PT100 vs. Thermoelement
PT100-/RTD-Sensoren und Thermoelemente werden weiterhin häufig in der herkömmlichen industriellen Temperaturmessung eingesetzt. Faseroptische Sensoren sind besonders nützlich, wenn elektrische Isolierung, Widerstand gegen elektromagnetische Störungen, nichtleitende Erfassung oder direkte Punktmessung in elektrisch schwierigen Umgebungen erforderlich sind.
| Sensortyp | Messsignal | Leitfähige Leitungen am Erfassungspunkt | EMI-Überlegungen | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|---|
| Glasfaser | Optisch | Kein konduktives Messsignal | Hohe Störfestigkeit entlang des optischen Pfades | Hochspannungs-, EMI- und isolierte Messung |
| PT100 / RTD | Elektrischer Widerstand | Ja | Installationsabhängig | Konventionelle industrielle Temperaturmessung |
| Thermoelement | Elektrische Spannung | Ja | Installationsabhängig | Industrielle Temperaturmessung mit großem Bereich |
Welchen Temperaturbereich kann ein faseroptischer Temperatursensor messen?
Ein typischer Referenzbereich für INNO-Punktsonden liegt je nach Sondenkonfiguration bei etwa -40 bis 260 °C. Für unterschiedliche Temperaturbereiche und Anwendungen können unterschiedliche Sondenstrukturen ausgewählt werden. Überprüfen Sie daher den Bereich anhand des genauen Sondenmodells und seiner Betriebsumgebung.
Wie genau sind faseroptische Temperatursensoren?
Die typische INNO-Genauigkeit liegt je nach Sonden- und Gerätekonfiguration bei etwa ±0,5 bis ±1 °C.
Sensorgenauigkeit und installierte Messunsicherheit sind nicht dasselbe. Das mit der Ausrüstung erzielte Ergebnis hängt auch von der Sondenplatzierung, dem thermischen Kontakt, der Installationsqualität, dem Zielmaterial und der Systemkonfiguration ab. Eine gut spezifizierte Sonde, die schlecht montiert ist, liefert keinen repräsentativen Messwert.
Wie schnell reagiert ein faseroptischer Temperatursensor?
Eine typische INNO-Punkt-Sonde-Reaktionsreferenz liegt je nach Sondenstruktur und Messbedingungen unter 1 s. In der Praxis hängt die angezeigte Antwort auch von Folgendem ab:
- Design der Sensorspitze
- Thermischer Kontakt mit dem Ziel
- Klebstoff, Klebeband oder Montagemethode
- Zielmaterial
- Luftstrom
- Thermische Masse des gemessenen Objekts
Wie lang darf die Glasfaser sein?
Typische INNO-Konfigurationen bieten je nach Sondenstruktur und Projektanforderungen etwa 0–20 m Glasfaser. Für viele Gerätetypen sind 3-5 m ein praktischer Anfangsreferenzwert.
Die endgültige Länge hängt von der internen Verlegung, der Durchführung, dem Geräteausgang, der externen Verlegung, dem Standort des Auswertegeräts und einem Installationsspielraum ab. Messen Sie die tatsächliche Route und nicht die geradlinige Entfernung und vermeiden Sie die Bestellung von mehr Glasfasern, als für die Route erforderlich sind.
Können mehrere faseroptische Temperatursensoren gemeinsam überwacht werden?
Ja. Eine Punktsonde entspricht normalerweise einem aktiven Messkanal, und ein Mehrkanalinstrument kann mehrere unabhängige Temperaturpunkte messen. Zu den gängigen Konfigurationsmustern gehören:
- Schaltanlage / Schaltanlagen: 3 / 6 / 9 / 12 Kanäle
- Trockentransformatoren: 3 / 4 / 6 / 7 Kanäle
- Öltransformatoren: 6 / 8 / 9 / 12 / 16 Kanäle
- Spezielle Test-, Leistungselektronik- und Laborsysteme: ca. 1–64 Kanäle, je nach Geräte- und Projektanforderungen
Dies sind gängige Konfigurationsmuster, keine verbindlichen Industriestandards.
Wo werden faseroptische Temperatursensoren verwendet?
| Anwendung | Typischer Messpunkt | Warum Glasfasersensorik verwendet wird |
|---|---|---|
| Öltransformator | Wicklung / ausgewählter Hotspot | Direkte interne Messung und elektrische Isolierung |
| Trockentransformator | Wicklung / ausgewählte Spulenposition | Direkte Punktmessung |
| Schaltanlage | Sammelschienen-/Verbindungs-/Kabelabschluss | Elektrische Isolierung in der Nähe von unter Spannung stehenden Geräten |
| Motor und Generator | Wicklung / Stator | Starkes elektromagnetisches Feld |
| HF-/Mikrowellenausrüstung | Internes Material oder ausgewählter Prozesspunkt | Nichtleitender Erfassungspfad |
| Hochspannungsprüfung | Testobjekt | Ferngesteuerte, galvanisch getrennte Messung |
| Leistungselektronik | Modul / ausgewählter Gerätestandort | Switching- und EMI-Umgebung |
| Laborausrüstung | Ausgewählter Testpunkt | Flexible Punktmessung |
Dies sind typische Anwendungsbeispiele, keine obligatorischen Sensorkonfigurationen.
Wie werden faseroptische Temperatursensoren in Transformatoren verwendet?
In Öltransformatoren können während der Herstellung faseroptische Sonden an ausgewählten Wicklungsstellen eingebettet werden. Bei Trockentransformatoren können die Sonden je nach Ausführung an ausgewählten Wicklungs- oder Strukturstellen positioniert werden.
Die Sonde misst den ausgewählten Punkt. Der heißeste Punkt wird nicht automatisch lokalisiert, daher sollten die Sondenpositionen dem Transformatordesign und der thermischen Analyse entsprechen. Methoden zur Wicklungsmessung werden in einem speziellen Transformatorhandbuch ausführlicher behandelt.
Wie werden faseroptische Temperatursensoren in HF- und Mikrowellengeräten verwendet?
Faseroptische Sonden können die Temperatur innerhalb oder in der Nähe von HF-/Mikrowellenumgebungen ohne leitende elektrische Messleitungen am Messpunkt messen. Dies eignet sich für Mikrowellenheizung, dielektrische Heizung, HF-Testsysteme und Materialprüfungen, bei denen metallische Sensorleitungen das Feld stören oder Interferenzen aufnehmen können.
Wie wird ein faseroptischer Temperaturfühler installiert?
Übliche Befestigungsansätze umfassen einen Kabelbinder, Hochtemperaturband, wärmeleitenden Kleber, einen mechanischen Steckverbinder oder eine Klemme. Die richtige Methode hängt von der Ausrüstung und dem Messpunkt ab.
Unabhängig von der Methode sollte die Installation:
sein- Halten Sie die Sonde stabil
- Halten Sie repräsentativen Wärmekontakt aufrecht
- Vermeiden Sie ein Quetschen der Sonde oder Faser
- Vermeiden Sie unnötige Spannungen
- Verlegen Sie die Faser richtig
Kann die faseroptische Temperaturüberwachung an eine SPS oder SCADA angeschlossen werden?
Ja, über das Auswertegerät oder den Sender, sofern kompatible Schnittstellen vorhanden sind. Zu den möglichen Integrationsoptionen gehören RS485, Modbus RTU (sofern unterstützt), 4–20 mA, Alarmrelais, CAN und Ethernet/TCP/IP. Die verfügbaren Schnittstellen hängen vom Gerätemodell und der Konfiguration ab.
Die Sonde selbst kommuniziert normalerweise nicht direkt mit einem SPS- oder SCADA-System.
Was beinhaltet ein komplettes faseroptische Temperaturüberwachungssystem?
Je nach Projekt kann ein faseroptisches Temperaturüberwachungssystem Folgendes umfassen:
- Faseroptischer Temperaturfühler
- Lichtwellenleiter
- Glasfaserverlängerung oder Verlängerungskabel, sofern erforderlich
- Temperaturtransmitter / Demodulator
- Mehrkanal-Auswertegerät bei Bedarf
- Stromversorgung
- Kommunikationsschnittstelle
- Alarmausgabe, sofern unterstützt
- SPS-/SCADA-Integration bei Bedarf
Nicht jedes Projekt benötigt jedes Element. Der genaue Umfang hängt von der Ausstattung, der Anzahl der Punkte und den Überwachungsanforderungen ab.
So wählen Sie einen faseroptischen Temperatursensor aus
Arbeiten Sie diese Punkte der Reihe nach durch:
- Definieren Sie den Messpunkt.
- Bestätigen Sie den Temperaturbereich.
- Bestätigen Sie Sondendurchmesser und -struktur.
- Faserlänge bestimmen.
- Bestimmen Sie die Anzahl der Erfassungspunkte.
- Wählen Sie die Kanalanzahl aus.
- Bestätigen Sie die elektrische und EMI-Umgebung.
- Wählen Sie das Auswertegerät aus.
- Bestätigen Sie die Kommunikationsschnittstelle.
- Bestätigen Sie die Montagemethode.
Auswahlleitfaden für faseroptische Temperatursensoren
| Auswahlelement | Was zu bestätigen ist |
|---|---|
| Messpunkt | Genauer physischer Standort, der gemessen werden soll |
| Temperaturbereich | Erwartete minimale und maximale Betriebstemperatur |
| Sondenstruktur | Durchmesser, Form und mechanische Anforderungen |
| Faserlänge | Tatsächliche Routing-Entfernung |
| Anzahl der Punkte | Wie viele unabhängige Standorte müssen gemessen werden |
| Kanalanzahl | Normalerweise ein aktiver Kanal pro Punktsonde |
| Elektrische Umgebung | Hochspannung, EMI, HF oder normale Industrieumgebung |
| Auswertegerät | Anforderungen an Anzeige, Kanalanzahl und Signalverarbeitung |
| Kommunikation | RS485 mit einem unterstützten Protokoll, 4-20 mA, Relais, CAN, Ethernet / TCP/IP oder eine andere unterstützte Schnittstelle |
| Montage | Kabelbinder, Klebeband, Kleber, Verbinder, Klemme oder anwendungsspezifische Struktur |
Häufige Missverständnisse über faseroptische Temperatursensoren
1. Die gesamte optische Faser misst die Temperatur.
Bei diesem Punktmessungssystem befindet sich der definierte Erfassungsort an der Sondenspitze. Die Faser überträgt das optische Signal.
2. Eine Sonde misst die gesamte Ausrüstung.
Eine Punktsonde misst einen ausgewählten physischen Standort. Mehrere Standorte benötigen mehrere Sonden.
3. Faseroptische Sensoren sind immer genauer als PT100 oder Thermoelemente.
Die Genauigkeit hängt von der Sensortechnologie und -konfiguration ab. Elektrische Isolierung und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen sind oft die Hauptvorteile.
4. Die faseroptische Sonde wird direkt an eine SPS angeschlossen.
Normalerweise wird die Sonde zuerst mit einem Auswertegerät oder Sender verbunden. Das Gerät stellt die SPS- oder SCADA-Schnittstelle zur Verfügung.
5. Längere Fasern verbessern immer das System.
Die Glasfaserlänge sollte den tatsächlichen Routing-Anforderungen entsprechen. Die zusätzliche Länge erhöht den Handhabungs- und Lageraufwand, ohne die Messung zu verbessern.
6. Jeder faseroptische Temperatursensor nutzt die gleiche Technologie.
Andere optische Sensortechnologien verwenden andere Sensormaterialien oder verteilte Faserarchitekturen; Ihre Sonden- und Instrumentenanforderungen sind nicht austauschbar.