Ein faseroptischer Temperaturwandler verarbeitet das optische Signal eines Temperatursensors zu einem anzeigbaren oder übertragbaren Temperaturwert. Die Sonde reagiert am Messpunkt auf die Temperatur. Das Auswertegerät sendet Anregungslicht durch die Faser, erfasst das zurücklaufende Signal und berechnet daraus das Ergebnis. Bei fluoreszenzbasierten Systemen wird dafür das temperaturabhängige Abklingverhalten ausgewertet.
INNO nutzt fluoreszenzbasierte punktförmige faseroptische Temperaturmessung. Der Konverter regt das Sensormaterial an, empfängt seine zurückgegebene Fluoreszenz und leitet aus dem Fluoreszenzabfall die Temperatur der Sondenspitze ab.
Was ist ein faseroptischer Temperaturwandler?
„faseroptische Temperaturwandler“ ist ein weit gefasster Such- und Technikbegriff. Es handelt sich nicht um einen streng standardisierten Gerätenamen, der weltweit auf die gleiche Weise anerkannt wird. Es bezieht sich im Allgemeinen auf das Instrument, das ein optisches Sensorsignal empfängt, es verarbeitet oder demoduliert und das Ergebnis in einen Temperaturwert oder eine nutzbare Ausgabe umwandelt.
Verschiedene Hersteller beschreiben ähnliche Geräte als Konverter, Sender, Demodulator, Auswertegerät, Messgerät, Monitor oder Host. Diese Namen überschneiden sich, sind jedoch nicht immer austauschbar.
Abhängig vom Gerätedesign kann ein Konverter für Folgendes verantwortlich sein:
- optische Anregung des Sensorelements
- Empfangen des zurückgegebenen optischen Signals
- Signalaufbereitung
- Demodulation der Temperaturinformationen
- Temperaturberechnung
- digitale Verarbeitung
- Anzeige oder Datenausgabe
Nicht jedes Instrument deckt jede Funktion ab. Einige Geräte verfügen über eine lokale Anzeige, während andere Daten an einen separaten Host senden. Schnittstellen wie Ethernet, RS485, analoger Stromausgang oder Relaiskontakte sind in der industriellen Instrumentierung im Allgemeinen üblich, aber ob ein bestimmter Konverter sie bereitstellt, hängt von der spezifischen Instrument- und Schnittstellenkonfiguration ab.
faseroptische Temperatursensor und -Konverter sind unterschiedliche Komponenten
Eine häufige Ursache für Verwirrung ist die Behandlung von Sensor und Konverter als ein Gerät. Sie erfüllen unterschiedliche Aufgaben.
Der Sensor oder die Sonde misst die Temperatur an einem physischen Punkt. In einem Fluoreszenzsystem geschieht dies an einer fluoreszierenden Sensorspitze am Ende der Faser. Faseroptische Temperatursensoren sind am Messpunkt typischerweise passiv: Die Sonde enthält keine Elektronik, die die Temperatur berechnet.
Der Konverter oder Demodulator empfängt und verarbeitet das optische Signal. Es liefert das Anregungslicht, liest das zurückgegebene Signal und leitet daraus die Temperatur ab.
Eine typische Signalkette sieht so aus:
Temperatur ↓ fluoreszierende Sensorspitze ↓ optische Faser ↓ zurückgegebenes Fluoreszenzsignal ↓ Konverter / Demodulator ↓ Temperaturwert ↓ Anzeige-/Überwachungs-/Steuerungssystem
Diese Kette ist der Kern des Themas. Die Spitze wandelt eine physikalische Temperatur in eine Änderung des optischen Verhaltens um. Die Faser überträgt die optischen Signale in beide Richtungen. Der Konverter wandelt das zurückgegebene optische Signal wieder in eine Zahl um, die ein Ingenieur oder ein Steuerungssystem verwenden kann.
Das Sensorspitzenprinzip wird beschrieben in Was ein faseroptischer Temperatursensor ist und wie er funktioniert.
So funktioniert die Temperaturkonvertierung mit Fluoreszenz-Faseroptik
Fluoreszierende faseroptische Temperaturmessung verwendet ein fluoreszierendes Material an der Sondenspitze, dessen Emissionsverhalten von der Temperatur abhängt. Der Konverter interpretiert dieses Verhalten. Die folgenden Schritte beschreiben den allgemeinen Ablauf ohne die Annahme einer bestimmten Wellenlänge, eines Zeitwerts oder eines Algorithmus, da diese je nach Design variieren.
1. Optische Anregung
Das Instrument sendet Anregungslicht durch die optische Faser zur Sonde. Die Lichtquelle und deren Steuerung sind Teil des Konverters.
2. Fluoreszierende Sensorspitze
Am Ende der Faser absorbiert das Sensormaterial an der Sondenspitze das Anregungslicht und wird angeregt.
3. Fluoreszenzzerfall
Das Material emittiert dann Fluoreszenz. Nach Ende der Anregung lässt die Emission mit der Zeit nach und die Art und Weise, wie sie abklingt, hängt von der Temperatur des Materials ab. Dieses Abklingverhalten trägt die Temperaturinformationen.
4. Optisches Rücksignal
Das Fluoreszenzsignal gelangt über den optischen Pfad zurück zum Instrument. Die gleiche Faser bedient üblicherweise beide Richtungen, die genaue optische Anordnung hängt jedoch vom Design ab.
5. Signaldemodulation
Der Konverter verarbeitet das zurückgegebene Signal. Unter Demodulation versteht man hier das Extrahieren der temperaturabhängigen Informationen, in diesem Fall des Abklingverhaltens, aus dem optischen Rohsignal.
6. Temperaturberechnung
Das Instrument wandelt das gemessene Fluoreszenz-Abklingverhalten in einen Temperaturwert um, indem es seine kalibrierte Beziehung zwischen Abklingverhalten und Temperatur verwendet. Diese Kalibrierung ist einer der Gründe, warum Sensor und Instrument kompatibel sein müssen.
7. Ausgabe
Das Temperaturergebnis kann dann angezeigt, protokolliert oder an ein anderes System gesendet werden, abhängig von den Schnittstellen, die das Gerät bereitstellt.
Da die Messung auf dem Abklingverhalten und nicht auf der Helligkeit des zurückgegebenen Lichts beruht, ist sie weniger von einfachen Intensitätsänderungen im optischen Pfad abhängig. Dies ist einer der Gründe, warum Fluoreszenzlebensdauermethoden für die punktuelle Temperaturmessung verwendet werden.
Konverter, Sender, Demodulator und Interrogator
Diese vier Begriffe kommen oft zusammen vor und die Unterschiede liegen hauptsächlich in der Betonung. Hersteller verwenden sie möglicherweise unterschiedlich, daher beschreibt die Tabelle eher die typische Verwendung als feste Definitionen.
| Begriff | Was der Name hervorhebt | Typische Rolle | Wichtiger Hinweis |
|---|---|---|---|
| Konverter | Umwandlung eines Sensorsignals in Temperaturdaten oder eine nutzbare Ausgabe | Empfängt das optische Signal und erzeugt einen Temperaturwert oder eine Temperaturausgabe | Ein weit gefasster Begriff, keine streng standardisierte Gerätekategorie |
| Sender | Übergabe der gemessenen Temperatur an ein anderes Steuerungs- oder Überwachungssystem | Stellt Temperaturdaten über einen Ausgang oder eine Kommunikationsschnittstelle bereit | Einige Produkte, sogenannte Sender, führen auch die optische Auslesung durch, während andere möglicherweise nur Daten weiterleiten |
| Demodulator | Extrahieren von Temperaturinformationen aus dem zurückgegebenen optischen Signal | Verarbeitet das optische Signal, um die temperaturabhängige Größe wiederherzustellen | Konzentriert sich auf den Signalverarbeitungsschritt, der Teil eines größeren Instruments sein kann |
| Vernehmer | Ein weit gefasster Begriff für faseroptische Sensorik für ein Instrument, das optische Sensoren anregt und ausliest | Sendet Licht an den Sensor und liest die Antwort | Wird in vielen Sensortechnologien verwendet, daher bezeichnet der Begriff allein kein bestimmtes Prinzip oder keine bestimmte Architektur |
| Messinstrument | Das komplette Lesegerät als allgemeine Kategorie | Führt die Erfassung, Verarbeitung und Ausgabe als eine Einheit durch | Ein allgemeiner Begriff, der weder Architektur noch Funktionssatz angibt |
Es gelten zwei Vorsichtsmaßnahmen. Konverter und Sender sind nicht genau dasselbe, auch wenn ein einzelnes Produkt als beides fungieren kann. Und Auswertegerät bedeutet nicht immer eine bestimmte Architektur: Ein Auswertegerät für eine optische Erfassungsmethode unterscheidet sich von einem, das für eine andere entwickelt wurde.
Für Produkte, bei denen der Schwerpunkt auf der Übermittlung von Temperaturdaten an andere Systeme liegt, siehe faseroptische Temperaturtransmitter und -Hosts.
Instrumente gibt es auch in verschiedenen physischen Formen. Bei einigen handelt es sich um eigenständige Einheiten, bei anderen um eingebettete Module, die für die Integration in ein größeres Gerät vorgesehen sind. Faseroptische Temperaturmodule und -instrumente decken das Spektrum der Formen ab, die für den OEM- und Standalone-Einsatz verfügbar sind.
Was bedeutet ein Kanal in einem faseroptische Temperaturwandler?
Für die Punktmessung erfordert ein unabhängiger Erfassungspunkt normalerweise einen kompatiblen aktiven Messkanal. Ein Kanal ist der Pfad, über den das Instrument eine Sonde erregt und ihr Rücksignal liest.
Die Beziehung kann wie folgt zusammengefasst werden:
1 Sonde ≈ 1 Messpunkt ≈ 1 kompatibler aktiver Kanal
Als konzeptionelles Beispiel würde die Messung von vier unabhängigen physischen Standorten normalerweise vier Sonden und mindestens vier kompatible aktive Kanäle erfordern. Dies ist nur eine Illustration. Konverter sind nicht alle mit der gleichen Kanalanzahl ausgestattet und die Anzahl der verfügbaren Kanäle hängt vom jeweiligen Instrument ab.
Punktmessung ist keine verteilte Temperaturmessung
Eine Fluoreszenzsonde misst die Temperatur an der Sensorspitze. Die optische Faser zwischen der Sonde und dem Instrument sorgt nicht automatisch für ein kontinuierliches Temperaturprofil entlang ihrer Länge.
Mehrere Kanäle machen ein System nicht zu einem verteilten Temperatursensor (DTS). Mehrere Sonden ermöglichen mehrere unabhängige Punktmessungen, die jeweils an einen bekannten, vom Ingenieur gewählten Ort gebunden sind. Verteilte Technologien nutzen unterschiedliche Sensorprinzipien und unterschiedliche Abfragemethoden und liegen außerhalb des Anwendungsbereichs des INNO-Ansatzes zur Fluoreszenzpunkterfassung.
Wie Temperaturdaten den Konverter verlassen
Sobald der Konverter einen Temperaturwert berechnet hat, kann dieser Wert auf verschiedene Arten verwendet werden:
- lokal auf dem Instrument angezeigt
- zur späteren Analyse protokolliert
- digital übermittelt
- an eine SPS gesendet
- an ein SCADA-System gesendet
- in ein umfassenderes Überwachungssystem integriert
Welche davon verfügbar sind, hängt von der jeweiligen Geräte- und Schnittstellenkonfiguration ab. Ein kompaktes OEM-Modul kann digitale Daten ausgeben, die von einem Host-Gerät verarbeitet werden können. Ein eigenständiges Instrument kann über eigene Anzeige- und Kommunikationsanschlüsse verfügen. Die verfügbaren Optionen sollten für jedes Instrument bestätigt und nicht angenommen werden.
Wenn die Daten in ein größeres System eingespeist werden, das mehrere Sensoren, Datenverarbeitung, Alarme und Software kombiniert, werden sie Teil eines faseroptische Temperaturüberwachungssystems. Der Konverter stellt die Temperaturdaten bereit und das Überwachungssystem entscheidet, was damit geschehen soll.
Komponenten eines faseroptischen Temperaturmesssystems
Ein vollständiges faseroptisches Temperaturmesssystem kann anhand der folgenden Komponenten beschrieben werden. Nicht jedes Projekt benötigt jede Komponente und die Art und Weise, wie sie verpackt werden, variiert.
| Komponente | Funktion | Beispielrolle |
|---|---|---|
| Fluoreszierende Messspitze/Sonde | Reagiert auf die Temperatur an einem physischen Punkt | Wird an der Stelle platziert, an der die Temperatur gemessen werden soll |
| Lichtwellenleiter | Trägt Anregungslicht und das zurückgegebene optische Signal | Verbindet die Sonde über die erforderliche Distanz mit dem Instrument |
| Anschluss / Schnittstelle | Verbindet den Glasfaserpfad mit dem Instrument | Sorgt für eine kompatible optische Verbindung zwischen Sonde und Konverter |
| Temperaturwandler / Demodulator | Liest das zurückgegebene Signal und berechnet die Temperatur | Erzeugt einen Temperaturwert aus dem optischen Signal |
| Überwachungssoftware oder Hostsystem | Sammelt, zeigt an, zeichnet auf oder analysiert Temperaturdaten | Bietet Trends, Protokolle und Alarmbehandlung, je nach Design |
| SPS-/SCADA-Integration | Übergibt Temperaturdaten an Steuerungs- oder Überwachungssysteme | Ermöglicht die Verwendung der Temperatur in der Prozesssteuerung oder Anlagenüberwachung |
Eine umfassendere Einführung in die Messtechnik als Ganzes finden Sie unter faseroptische Temperaturmessung.
faseroptische Temperaturwandler vs. Überwachungssystem
Die beiden Begriffe sind verwandt, beschreiben jedoch unterschiedliche Bereiche.
Der Konverter liest, demoduliert und wandelt das Sensorsignal um. Seine Aufgabe ist es, aus optischen Signalen Temperaturdaten zu erzeugen.
Ein Überwachungssystem ist normalerweise ein größeres Konzept auf Systemebene. Je nach Ausführung kann es mehrere Sensoren, einen Konverter oder Sender, Datenerfassung, eine Anzeige, Alarme, Kommunikationsfunktionen, Software und Systemintegration umfassen. Die spezifischen Funktionen variieren von System zu System.
Ein Konverter kann eine Komponente innerhalb eines Überwachungssystems sein, aber der Konverter sollte nicht als vollständiges Überwachungssystem betrachtet werden. Umgekehrt verwenden einige Überwachungssysteme mehr als einen Konverter an verschiedenen Messstandorten.
Kann jeder faseroptische Sensor mit jedem Konverter funktionieren?
Nein, nicht automatisch. Die Kompatibilität hängt von mehreren Faktoren ab:
- Sensorprinzip
- optische Eigenschaften
- Sondenkonstruktion
- Anschlussschnittstelle
- Gerätekalibrierung
- Signalverarbeitungsmethode
- Kanalkonfiguration
Fluoreszenzsonden sind nicht universell über Marken oder Designs hinweg austauschbar und es kann nicht davon ausgegangen werden, dass ein bestimmtes Instrument den Sensor eines Herstellers lesen kann. Die Kalibrierungsbeziehung zwischen dem optischen Verhalten der Sonde und der Temperatur ist Teil der Übereinstimmung zwischen Sonde und Instrument.
Unterschiedliche Sensortechnologien erfordern unterschiedliche Abfragen
Ein für die Messung der Fluoreszenzlebensdauer konzipierter Konverter kann Sensoren, die auf der FBG-Wellenlängenverschiebung, der GaAs-Absorptionskante, der Raman-verteilten Messung oder anderen optischen Prinzipien basieren, nicht automatisch lesen. Diese Technologien nutzen unterschiedliche optische Anregung, unterschiedliche Signalverarbeitung und unterschiedliche Abfragemethoden.
GaAs-Fasertemperatursensoren nutzen beispielsweise ein anderes optisches Messprinzip als Fluoreszenz-Lebensdauersensoren. Einen Vergleich dieser beiden Ansätze finden Sie unter GaAs vs. faseroptische Fluoreszenz-Temperatursensoren.
So wählen Sie einen faseroptische Temperaturwandler aus
Die folgende Checkliste deckt die wichtigsten zu überprüfenden Punkte ab. Nicht jedes Projekt benötigt alle davon.
- Sensortechnologie: Bestätigen Sie, dass das Instrument für das verwendete Sensorprinzip gebaut ist, z. B. Fluoreszenzlebensdauer.
- Anzahl der Erfassungspunkte: zählt die unabhängigen zu messenden Orte.
- Erforderliche Kanalanzahl: Passen Sie die Anzahl der kompatiblen aktiven Kanäle an die Erfassungspunkte an.
- Unterstützter Sondentyp: Bestätigen Sie, dass das Instrument mit der vorgesehenen Sondenkonstruktion funktioniert.
- Von der Anwendung geforderter Messbereich: Überprüfen Sie, ob das System den erwarteten Temperaturbereich abdeckt.
- Erforderliche Genauigkeit: Definieren Sie, was die Anwendung tatsächlich benötigt.
- Reaktionsanforderung: Überlegen Sie, wie schnell Temperaturänderungen verfolgt werden müssen.
- Steckerkompatibilität: Bestätigen Sie die optische Schnittstelle zwischen Sonde und Instrument.
- Datenschnittstelle: Identifizieren Sie, wie die Daten das Instrument verlassen müssen.
- Anforderung an die lokale Anzeige: Entscheiden Sie, ob eine Anzeige auf dem Instrument erforderlich ist.
- SPS-/SCADA-Integration: Bestätigen Sie bei Bedarf den Kommunikationspfad zu Steuerungs- oder Überwachungssystemen.
- Datenprotokollierungsanforderung: Entscheiden Sie, ob das Instrument oder ein separates System Daten aufzeichnet.
- Installationsumgebung: Berücksichtigen Sie die Bedingungen rund um die Sonde und das Instrument.
- OEM- oder eigenständige Geräteanforderung: Bestimmen Sie, ob das Gerät in andere Geräte eingebettet ist oder unabhängig verwendet wird.
Wo werden faseroptische Temperaturwandler verwendet?
Konverter werden überall dort eingesetzt, wo eine faseroptische Temperaturmesskette zum Einsatz kommt. Typische Bereiche sind:
- Leistungstransformatoren: Messung von Wicklungs- oder Innentemperaturen dort, wo sich der Messpunkt in einer elektrisch anspruchsvollen Umgebung befindet.
- Motoren und Generatoren: Messung der Temperatur an ausgewählten internen Stellen.
- Hochspannungsgeräte: Temperaturmessung an Punkten, die eine elektrische Isolierung erfordern.
- HF- und Mikrowellen-Heizgeräte: Messung der Temperatur in Feldern, die elektrische Sensoren stören können.
- Medizinische Umgebungen oder Umgebungen mit starken Magnetfeldern: Messen Sie die Temperatur, wenn Metallsensoren möglicherweise ungeeignet sind.
- Industrielle Prüfsysteme: Sammelpunkttemperaturen während der Geräteprüfung.
- Laborausrüstung: Temperaturmessung in Forschungseinrichtungen.
Warum eine optische Temperaturmesskette verwenden?
Aus technischer Sicht bietet eine optische Kette mehrere praktische Eigenschaften:
- Der Messpunkt kann vom Instrument elektrisch isoliert bleiben.
- Der optische Signalpfad weist eine hohe Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen auf.
- Es eignet sich für elektrisch anspruchsvolle Umgebungen.
- Kleine Sondengeometrie kann ausgewählte eingebettete Messungen unterstützen.
Dies sind allgemeine Eigenschaften, keine Garantien. Die tatsächliche Leistung hängt von der Implementierung ab, einschließlich Sondendesign, Installation und Instrument.
Was ein Konverter messen kann und was nicht
Der Konverter selbst misst die Temperatur
Normalerweise ist das nicht der Fall. Der Sensor oder die Sonde misst die Temperatur und der Konverter verarbeitet das optische Signal, das die Sonde zurückgibt.
Die gesamte Faser misst die Temperatur
Nicht bei der Fluoreszenzpunkterkennung. Die Temperatur wird an der Sensorspitze gemessen und die Faser überträgt die optischen Signale zwischen der Spitze und dem Instrument.
Mehr Kanäle verwandeln das System in DTS
Das tun sie nicht. Mehrere Kanäle bleiben unabhängige Punktmessungen.
Jeder optische Sensor kann an jeden Konverter angeschlossen werden
Die Kompatibilität hängt vom Sensorprinzip und dem Gerätedesign ab.
Konverter und Überwachungssystem bedeuten immer dasselbe
Das tun sie nicht. Der Systemumfang kann viel größer sein als der Konverter allein.
Schlussfolgerung
Ein faseroptischer Temperaturwandler ist der instrumentenseitige Teil der Messkette, der das optische Signal eines kompatiblen Temperatursensors verarbeitet und in nutzbare Temperaturdaten umwandelt.
Jeder Teil der Kette hat eine eigene Rolle:
- Sonde: erkennt den ausgewählten Punkt.
- Glasfaser: überträgt optische Signale.
- Konverter / Demodulator: verarbeitet das zurückgegebene Signal.
- Überwachungssystem: zeigt Temperaturdaten an, zeichnet sie auf oder integriert sie.
Die Terminologie variiert je nach Hersteller, daher ist der Name auf einem Datenblatt weniger wichtig als die Funktion des Instruments. Entscheidend sind die Kompatibilität der Sensortechnologie, die Kanalanzahl, die Messanforderungen und die Systemschnittstelle.
Wenn für ein Projekt ein fluoreszenzbasierte faseroptisches Temperaturmessgerät erforderlich ist, kann INNO dabei helfen, den Sensortyp, die Kanalanzahl, die Sondenkompatibilität und die Systemintegrationsanforderungen zu überprüfen.
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