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Diese Erfindung betrifft einen optischen
Temperaturfühler mit einem doppelbrechenden Bauelement,
das aus einer einkristallinen Metalloxidplatte
hergestellt ist. Ein breitbandiges Lichtspektrum wird
durch ein erstes lineares polarisierendes Bauelement
hindurchgeleitet, um eine linear polarisierte Welle zu
erzeugen. Während sie durch die Einkristallplatte
hindurchtritt, wird die linear polarisierte Welle in
erste und zweite orthogonal polarisierte Wellen zerlegt.
Die Ausbreitung der linear polarisierten Welle durch die
doppelbrechende, einkristalline Metalloxidplatte bewirkt
eine temperaturabhängige Phasenverschiebung zwischen den
zwei Wellen. Anschließend vereint ein zweiter
Linearpolarisator die ersten und zweiten orthogonal
polarisierten Wellen, um ein moduliertes Lichtspektrum zu
erzeugen. Von diesem modulierten Lichtspektrum oder
Interferenzstreifenmuster abgeleitete Informationen
werden anschließend dazu verwendet, die Temperatur der
einkristallinen Metalloxidplatte zu messen.
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Es ist allgemein üblich, Betriebsparameter über
Kupferdrahtbündel elektrisch von Punkt zu Punkt zu
übertragen. Obwohl diese Bündel abgeschirmt sein können,
können elektromagnetische Störungen und
elektromagnetische Impulse die in diesen Kupferdrähten
übertragenen elektrischen Signale beeinflussen. Im
Bemühen, diese Störungen zu beseitigen und gleichzeitig
das Gewicht der Übertragungsleitungen zu vermindern,
wurde angestrebt, die Betriebsparameter in Form optischer
Signale über Lichtwellenleiter zu übertragen.
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In dem US-Patent 4,598,996 wird ein
Detektorsystem offenbart, das Lichtwellenleiter
verwendet, um Änderungen des Brechungsindex
doppelbrechender Kristalle, wie beispielweise LiTaO&sub3; oder
SrxBa1-xNb&sub2;O&sub6;, zu übermitteln, um so die Temperatur einer
Umgebung zu messen. In diesem Detektor verwendet der
Fühler eine Anregungsquelle mit einem vergleichsweise
schmalen spektralen Band; er beruht auf der Erfassung der
Änderungen der übertragenen Intensität, die sich
sinusförmig mit der Temperatur ändert. Daher ist der
praktische Meßbereich auf weniger als die Hälfte der
Periode des oszillierenden Ausgangssignals beschränkt,
und die Genauigkeit der Messung wird durch
Ungenauigkeiten begrenzt, die durch die Art der
Intensitätserfassung bedingt sind. Darüberhinaus erleiden die
Fühlermaterialien LiTaO&sub3; und SrxBa1-xNb&sub2;O&sub6; ferroelektrische
Curie-Übergänge bei maximal 660ºC beziehungsweise 270ºC
und können daher nicht in Umgebungen eingesetzt werden,
in denen die Temperaturen höher als 660ºC sind. Das US-
Patent 4,928,005 offenbart ein Detektorsystem mit einem
Mehrpunktfühler, bei dem die doppelbrechenden
Eigenschaften einer polarisationserhaltenden Glasfaser
dem US-Patent 4,598,996 offenbarten Fühler ist der
Temperaturbereich dieses Mehrpunktfühlers auch mit
geeigneten Faserbeschichtungen auf einen
Betriebstemperaturbereich von -100ºC bis +300ºC beschränkt.
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Das US-Patent 4,883,952 offenbart ein
Fühlersystem mit einem doppelbrechenden Material, durch
das polychromatisches Licht hindurchgeleitet wird, bevor
es von zwei ungleichen Fotodetektoren empfangen wird.
Beim Durchqueren des doppelbrechenden Materials werden in
dem resultierenden Licht bestimmte Wellenlängenanteile
unterdrückt, wodurch dem die Detektoren erreichenden
Licht eine bestimmte Farbe verliehen wird. Eine
Temperaturänderung hat eine andere Farbe zu Folge, die
von den Detektoren wahrgenommen wird, wobei das Mittel
dieser zwei Detektoren als die augenblickliche Temperatur
der Umgebung definiert wird. Obwohl dieser Fühler für
einige Anwendungen ausreicht, ist die wahrgenommene
Temperatur nur ein Mittel der kombinierten Genauigkeit
der zwei Fotodetektoren.
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In dem US-Patent 4,970,385 weist ein
Temperaturfühler ein fotoelastisches Bauelement auf, das
aus einer Quarzglasplatte hergestellt ist und in einer
Hülse festgehalten wird, um die Wärmeausdehnung in einer
y- und einer z-Ebene zu kontrollieren, während in der x-
Ebene eine im wesentlichen freie Ausdehnung möglich ist,
um so die Auswirkung der mechanischen Spannung auf die
Phasendifferenz zwischen zwei orthogonalen Lichtanteilen
zu erfassen, die das fotoelastische Bauelement
durchqueren. Die erfaßte Phasendifferenz ist eine Funktion der
Temperatur. Das US-Patent 4,709,145 offenbart ein
Fühlersystem, bei dem Unterschiede zwischen moduliertem und
unmoduliertem Licht verglichen wird, nachdem
Signaldämpfungen kompensiert wurden, die durch Zustände von
Kabeln, Leistungsschwankungen und Verbindungen bewirkt
werden, um so Informationen über Phänomene wie
Temperatur, Druck und Drehgeschwindigkeiten zu erhalten. Dieses
System scheint genauere Messungen der Phänomene
bereitzustellen.
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Das US-Patent 4,215,576 offenbart ein
Fühlersystem mit einer Mehrzahl doppelbrechender
Bauelemente mit zunehmend größerer Länge, wobei deren jeweilige
Ausgangssignale eine schrittweise Approximation an eine
in einer bestimmten Umgebung wahrgenommene Temperatur
bereitstellen. Diese schrittweise Approximation wird so
aufbereitet, daß eine genaue Temperatur der Umgebung
bereitgestellt wird.
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Viele Anwendungen erfordern leider
Temperaturdetektorsysteme mit einem Fühler, der bei
höheren Temperaturen und über einen weiteren
Temperaturbereich genau arbeiten kann, als mit derartigen
Fühlern des Standes der Technik möglich ist.
Beispielsweise weist die Steuerung einer in Betrieb
befindlichen Turbinenmaschine, sei es, daß sie in der
Industrie an einem lokalen Standort oder in einem
Flugzeug eingesetzt wird, viele Maschinenkomponenten auf,
bei denen die Temperatur 660ºC überschreitet und eine
kontinuierliche genaue Kenntnis ihrer Betriebsparameter
erforderlich ist, um die Turbinenmaschine sicher zu
betreiben; hierfür sind die zum Stand der Technik
gehörenden optischen Temperaturfühler unbrauchbar.
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Es hat sich herausgestellt, daß Informationen,
die durch Analysieren eines breitbandigen Lichtspektrums
erhalten wurden, das durch eine aus Lanthanberyllat
(La&sub2;Be&sub2;O&sub5;) hergestellte, doppelbrechende, einkristalline
Metalloxidplatte hindurchtritt, die Temperatur in einer
Umgebung bis zu 1000ºC mit einer Genauigkeit von ±1ºC
oder besser messen. Dieses doppelbrechende Bauelement
wurde mit polarisationserhaltenden, optischen
Hochtemperaturlichtwellenleitern kombiniert, wie sie in
dem US-Patent 5,113,427 und seiner Nachanmeldung US-
Patent 5,175,787 offenbart sind, um einen Fühler zur
Verwendung in einem Temperaturmeßsystem zu schaffen, der
ein Stromsignal bereitstellt, welches die
Umgebungsbedingungen angibt, wie sie von den Komponenten
einer Turbinenmaschine wahrgenommen werden. Der Fühler
weist ein erstes lineares polarisierendes Bauelement auf
zum Umwandeln eines anfänglichen breitbandigen
Lichtspektrums, das von einer Quelle aus in einem ersten
optischen Kabel übertragen wird, in eine linear
polarisierte Welle. Diese linear polarisierte Welle wird
anschließend durch einen ersten polarisationserhaltenden
Hochtemperaturlichtwellenleiter in den
Hochtemperaturbereich oder die Hochtemperaturumgebung
übertragen, in der sich die doppelbrechende
Einkristallplatte befindet. Durch geeignetes Ausrichten
der doppelbrechenden Einkristallplatte bezüglich der
Polarisation des anfänglich breitbandigen Lichtspektrums
oder Lichts wird die linear polarisierte Welle in erste
und zweite orthogonal polarisierte Wellen zerlegt. Die
ersten und zweiten orthogonal polarisierten Wellen, die
durch einen zweiten polarisationserhaltenden
Hochtemperaturlichtwellenleiter hindurchgeleitet werden, um die
Polarisation der ersten und zweiten orthogonal
polarisierten Wellen zu erhalten, und werden anschließend
wieder vereint, um ein moduliertes Lichtspektrum mit
einem Interferenzstreifenmuster zu erzeugen. Ein mit dem
zweiten polarisierenden Bauelement verbundenes zweites
optisches Kabel überträgt das modulierte Lichtspektrum zu
einer optoelektronischen Schnittstelle, wo das
Interferenzstreifenmuster extrahiert wird, um eine CPU mit
einem Signal zu versorgen, das eine genaue Messung der
momentanen Umgebungstemperaturbedingungen bis zu 1000ºC
angibt, die von dem doppelbrechenden Kristall
wahrgenommen werden.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein
optisches Temperaturdetektorsystem für die genaue Messung
der Temperatur in einer Umgebung bis 1000ºC mit einer
Genauigkeit von ±1ºC bereitzustellen. Das Detektorsystem
besteht aus einem ersten polarisierenden Bauelement,
einem ersten polarisationserhaltenden
Hochtemperaturlichtwellenleiter, um Licht in eine
Hochtemperaturzone oder -umgebung zu leiten, einer
doppelbrechenden, einkristallinen Metalloxidplatte, die
aus einer Kristallplatte aus Lanthanberyllat besteht und
sich in der Temperaturzone oder -umgebung befindet, einem
zweiten polarisationserhaltenden
Hochtemperaturlichtwellenleiter, um das die
Kristallplatte durchlaufende, modulierte Licht aus der
Hochtemperaturzone herauszuleiten, einem zweiten
polarisierenden Bauelement, verbindenden Lichtleitern
sowie der optoelektronischen Schnittstelle, durch die aus
dem modulierten Licht, das die Temperatur der Umgebung
angibt, ein Signal für die momentane Betriebstemperatur
abgeleitet wird.
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Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht
darin, ein Spektrometer mit einem Fühler bereitzustellen,
wobei ein polarisiertes breitbandiges Lichtspektrum nach
Durchlaufen eines doppelbrechenden Bauelements durch ein
polarisierendes Bauelement analysiert wird, um so ein
moduliertes Lichtspektrum mit einem
Interferenzstreifenmuster zu erzeugen, wobei das
Interferenzstreifenmuster eine Funktion der Temperatur
des doppelbrechenden Bauelements ist.
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Diese Aufgaben sowie weitere Vorteile sollten
durch das Lesen dieser Beschreibung und das Betrachten
der Zeichnungen offensichtlich sein, wobei:
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Figur 1 eine schematische Darstellung eines gemäß
der vorliegenden Erfindung hergestellten
Temperaturdetektorsystems ist, wobei ein linear
polarisiertes, breitbandiges Lichtspektrum moduliert
wird, während es durch eine Einkristallplatte aus
Lanthanberyllat und einen Analysator hindurchtritt, um
ein Interferenzstreifenmuster bereitzustellen, das der
momentanen Temperatur in der Umgebung entspricht, in der
sich die Einkristallplatte aus Lanthanberyllat befindet.
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Figur 2 eine schematische Darstellung des
optischen Fühlers von Figur 1 ist;
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Figur 3 eine schematische Darstellung eines
polarisationserhaltenden Lichtwellenleiters ist, um das
Licht in die Einkristallplatte aus Lanthanberyllat von
Figur 1 hinein- und aus ihr herauszuleiten;
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Figur 4 eine schematische Darstellung des
Lichtspektrums ist, bevor es in die Kristallplatte aus
Lanthanberyllat eintritt, durch sie hindurch- und aus ihr
austritt; und
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Figur 5 eine schematische Darstellung einer
alternativen Bauform des gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellten Temperaturdetektorsystems ist, wobei ein
moduliertes, linear polarisiertes, breitbandiges
Lichtspektrum, nachdem es eine Einkristallplatte aus
Lanthanberyllat durchlaufen hat, durch die
Einkristallplatte aus Lanthanberyllat und den
Linearpolarisator hindurch zu einem Strahlteiler
zurückreflektiert wird, bevor es einer optoelektronischen
Schnittstelle zugeleitet wird, wo ein
Interferenzstreifenmuster abgeleitet wird, das der momentanen Temperatur
der Umgebung entspricht, in der sich die Kristallplatte
aus Lanthanberyllat befindet.
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Das in Figur 1 gezeigte Temperaturmeßsystem 10
umfaßt einen in Figur 2 dargestellten Fühler 19, der so
gestaltet ist, daß er an verschiedenen Stellen befestigt
werden kann, um über Bereiche innerhalb einer
Turbinenmaschine Temperaturinformationen bereitzustellen.
Nach dem Durchlaufen einer optoelektronischen
Schnittstelle 11 wird ein Betriebssignal des
Temperaturmeßsystems 10 der zentralen
Verarbeitungseinheit (CPU = central processing unit) 42
zugeleitet, die den Betrieb der Turbinenmaschine steuert.
Wie in Figur 2 gezeigt, befindet sich ein
doppelbrechendes Bauelement oder eine Einkristallplatte 12 des Fühlers
19 in einer konkreten Hochtemperaturumgebung 11.
Umhüllungen 17 und das Gehäuse 15 der Turbinenmaschine
schützen die Lichtwellenleiterkabel 20, die eine
Lichtquelle 14 mit dem Fühler 19 verbinden, vor den
Betriebstemperaturen, denen die Umgebung 11 ausgesetzt ist.
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Das Temperaturmeßgerät 10 verwendet ein
breitbandiges Lichtspektrum, wie das von Kurve 16
veranschaulichte, das von der Lichtquelle 14, wie
beispielsweise einer lichtemittierenden Diode, erzeugt
wird. Das breitbandige Lichtspektrum ist wie bei 18
gezeigt zufällig polarisiert und wird durch das
Lichtwellenleiterkabel 20 zum Verbinder von Fühler 19
übertragen. Das dem Verbinder 21 zugeleitete, zufällig
polarisierte Licht wird direkt an einen Linearpolarisator
22 im Fühler 19 weitergeleitet. Nachdem es durch den
Linearpolarisator 22 hindurchgetreten ist, weist das
Licht nur eine einzige Polarisationsebene 24 auf, wie in
Figur 1 dargestellt. Um den Linearpolarisator 22 vor der
hohen Temperatur der Umgebung zu schützen, deren
Temperatur gemessen werden soll, wird ein
polarisationserhaltender Lichtwellenleiter 28, wie der in Figur 2 gezeigte,
verwendet, um das polarisierte Licht zu dem
doppelbrechenden Fühlerbauteil oder der Einkristallplatte 12 zu
übertragen. Der Hochtemperaturlichtwellenleiter 28 und
seine polarisationserhaltenden Eigenschaften, das
ausführlicher in US-Patent 5,113,472 und seiner
Teilfortführungsanmeldung US-Patent 5,175,787 beschrieben ist,
werden durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
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Der Hochtemperaturlichtwellenleiter 28 hat einen
Kern 30 mit hohem Brechungsindex, der aus einem
substituierten Aluminium-Granat hergestellt ist und in
einem Mantelmaterial 32 und 32' mit niedrigerem
Brechungsindex, Yttrium-Aluminium-Granat, eingebettet
ist, wie in Figur 3 gezeigt. Obwohl viele Materialien für
den Kern 30 aus substituiertem Aluminium-Granat des
Lichtwellenleiters 28 geeignet sein können, wurde in
Yttrium-Aluminium-Granat (Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;) eingebettetes Terbium-
Lutetium-Aluminium-Granat ((Tb,Lu) &sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;) verwendet. Es
hat sich herausgestellt, daß der Wellenleiter 28 einen
Wert für Δn von 0,027 aufweist, wobei Δn der
Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern aus Terbium-
Lutetium-Aluminium-Granat (n = 1,8545) und dem Mantel aus
Yttrium-Aluminium-Granat von (n = 118275) ist. Dieser
Wert Δn ist vergleichbar mit denjenigen von typischen
Lichtwellenleitern, wie demjenigen im optischen Kabel 20.
Weil während der Herstellung zwischen dem
Wellenleiterkern 30 und dem Mantelmaterial 32 und 32'
eine Gitterfehlanpassung erfolgt, wird in der Ebene des
Wellenleiterkerns 30 eine mechanische Spannung induziert.
Diese Spannung induziert Doppelbrechung, die wiederum
bewirkt, daß der Kern 30 die Polarisation des
einfallenden Lichtes aufrechterhält, wenn das Licht
entweder parallel zur optischen Achse 31 (senkrecht zur
Ebene des Wellenleiters) oder im rechten Winkel zur
optischen Achse 31 polarisiert ist. Für die vorliegende
Anmeldung hat der Wellenleiter 28 des Fühlers 19 eine
Länge von 1-3 Zoll (2,5 - 7,5 cm); dies ist ausreichend,
um den Linearpolarisator 22 in der Turbinenmaschine mit
Abstand von der Umgebung 11 zu positionieren. Somit
beeinträchtigt die Temperatur der Umgebung 11 den
Polarisator 22 nicht nachteilig, obwohl sie auf die
Einkristallplatte oder das doppelbrechende Bauelement 12
einwirkt. Die optische Achse des polarisationserhaltenden
Wellenleiterkerns 30 ist entweder parallel oder unter
einem Winkel von 90º zu der optischen Achse des
Linearpolarisators 22 ausgerichtet. Der Polarisationgrad des
der Vorderseite 27 des Wellenleiters 28 zugeleiteten
Lichts ist im wesentlichen unverändert, wenn es der
Vorderseite 29, siehe Figur 4, des doppelbrechenden
Bauelements oder der Einkristallplatte 12 zugeleitet
wird.
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Bei der vorliegenden Anmeldung besteht das
doppelbrechende Bauelement 12 aus einer dünnen Platte aus
einkristallinem Lanthanberyllat (La&sub2;Be&sub2;O&sub5;), das
üblicherweise als BEL bezeichnet wird. BEL hat einen
großen Temperaturkoeffizienten der Doppelbrechung dB/dT.
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Kristalle sind im allgemeinen hinsichtlich ihrer
physikalischen Eigenschaften anisotrop, das heißt die
Werte ihrer Eigenschaften ändern sich mit der Richtung im
Kristall. Anisotropie des Brechungsindex wird als
Doppelbrechung
bezeichnet. BEL ist ein optisch zweiachsiger
Kristall, der für die drei orthogonalen Richtungen X, Y
und Z drei unterschiedliche Hauptbrechungsindizes
aufweist. Figur 4 zeigt zwei orthogonal polarisierte Wellen
24 und 26, die ein doppelbrechendes Bauelement oder eine
Einkristallplatte 12 durchlaufen. Die Vektoren der
elektrischen Polarisation dieser zwei Wellen 24 und 26 sind
in der X- beziehungsweise Z-Richtung ausgerichtet, und
die Wellen breiten sich in Y-Richtung aus.
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Beim Eintreten durch die Vorderseite 29 des
doppelbrechenden Kristalls 12 wird die linear
polarisierte Welle 23 in zwei orthogonal polarisierte
Wellen 24 und 26 zerlegt. Die zwei Wellen 24 und 26
werden in einfacher Weise erzeugt, indem man den
Linearpolarisator in einem Winkel von 45º zu der X- und der Z-
Achse des doppelbrechenden Kristalls 12 ausrichtet. Diese
zwei Wellen breiten sich wegen des Unterschieds in den
Brechungsindizes nx und nz mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten durch das doppelbrechende Bauelement
oder die Einkristallplatte 12 aus. Daher weisen die zwei
Wellen 24 und 26, die beim Eintreten in das
doppelbrechende Bauelement oder die Einkristallplatte 12
eine Phasendifferenz von Null aufweisen, beim Austreten
durch die Fläche 31 eine bestimmte Phasendifferenz ΔΦ
auf. Die Phasendifferenz ΔΦ hängt von dem Unterschied der
Brechungsindizes nx und nz, von der Weglänge "d" durch das
doppelbrechende Bauelement oder die Einkristallplatte 12,
von der Temperatur des doppelbrechenden Bauelements oder
der Einkristallplatte 12 und von der Wellenlänge des
breitbandigen Spektrums oder Lichts aus Quelle 14 ab.
Nach dem Durchqueren des doppelbrechenden Bauelements
oder der Einkristallplatte 12 können die zwei orthogonal
polarisierten Wellen 34 und 36 vereint werden, um eine
linear polarisierte Welle zu bilden, die für
Phasenverschiebungen von exakt (n-1) x 360º entlang der
ursprünglichen Richtung 23 polarisiert ist, für
Phasenverschiebungen von exakt (2n-1) x 180º um 90º
versetzt zu der ursprünglichen Richtung 23 polarisiert
ist, für Phasenverschiebungen von exakt (2n-1) x 90º
zirkular polarisiert ist, wobei n = 1, 2, 3, ... , und
für alle übrigen Phasenverschiebungen elliptisch
polarisiert ist.
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Beim Austreten aus dem doppelbrechenden
Bauelement oder der Einkristallplatte 12 werden die zwei
orthogonal polarisierten Wellen 34 und 36 in einen
zweiten polarisationserhaltenden Wellenleiter 38, mit
identischem Aufbau wie Wellenleiter 28, gelenkt und zu
dem zweiten Linearpolarisator 40 übertragen, der
üblicherweise als Analysator bezeichnet wird. Wie beim
ersten Linearpolarisator 22 und dem ersten
polarisationserhaltenden Wellenleiter 28 sind die
optische Achse des zweiten Linearpolarisators 40 und die
optische Achse des zweiten polarisationserhaltenden
Wellenleiters 38 entweder parallel oder unter einem
Winkel von 90º zueinander ausgerichtet. Jedoch sind der
erste Linearpolarisator 22, der erste
polarisationserhaltende Wellenleiter 28, der zweite polarisationserhaltende
Wellenleiter 38 und der zweite Linearpolarisator 40 alle
in einem Winkel von 45º oder einem ungeraden Vielfachen
davon zu der X- und der Z- Achse des doppelbrechenden
Bauelements oder der Einkristallplatte 12 ausgerichtet,
um so gleiche Amplituden der zwei orthogonal
polarisierten Wellen 34 und 36 sicherzustellen. Wenn die zwei
orthogonal polarisierten Wellen durch den zweiten
Linearpolarisator 40 vereint werden, wird daher ein
moduliertes Lichtspektrum mit einem
Interferenzstreifenmuster wie dem durch Kurve 50 in Figur
1 gezeigten erzeugt. Dieses modulierte Lichtspektrum wird
in Lichtwellenleiterkabel 46 zu der optoelektronischen
Schnittstelle 11 übertragen. Ein Prisma 48 in der
optoelektronischen Schnittstelle 11 lenkt das modulierte
Lichtspektrum auf eine Linsen-Gitter-Anordnung zum
Fokussieren auf ein Fotodetektorarray oder eine
ladungsgekoppelte Detektorvorrichtung 52, die mit einer
Aufbereitungselektronik 41 in der optoelektronischen
Schnittstelle 11 verknüpft ist. Die
Aufbereitungselektronik 41 reagiert auf ein Signal der
Detektorvorrichtung 52, um ein Ausgangssignal zu
erzeugen, das zu einer CPU 42 übertragen wird, wo das
Interferenzstreifenmuster auf eine Weise extrahiert wird,
wie sie in der am 19. September 1991 eingereichten US-
Patentanmeldung 762,837 gelehrt wird.
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Die Anzahl der Interferenzstreifen in einem
gegebenen Wellenlangenintervall λ&sub1; bis λ&sub2; sowie die
Änderung der Anzahl von Interferenzstreifen als Funktion
der Temperatur können unter Verwendung der folgenden
Formeln berechnet werden:
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N = d (1/λ&sub1; - 1/λ&sub2;)B
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dN/dT = d (1λ&sub1; - 1/λ&sub2;)dB/dT
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wobei: B = Doppelbrechung eines Kristalls bei einer
gegebenen Temperatur;
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d = Dicke der doppelbrechenden
Kristallplatte;
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λ&sub1; = untere Wellenlängengrenze des Spektrums;
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λ&sub2; = obere Wellenlängengrenze des Spektrums.
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Somit kann durch bloßes Zählen der
Interferenzstreifen die momentane Temperatur der Umgebung
11 bestimmt werden, in der sich das doppelbrechende
Bauelement oder die Einkristallplatte 12 befindet.
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Durch vorhergehende Experimente wurde
festgestellt, daß die Doppelbrechung B von BEL 0,07
beträgt und die Änderung der Doppelbrechung mit der
Temperatur dB/dT über einen Temperaturbereich von 0ºC bis
1000ºC 9,09 x 10&supmin;&sup6;/ºC beträgt. Unter der Annahme λ&sub1; =
780 nm, λ&sub2; = 880 nm und d = 1 mm findet man:
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N = 10&supmin;³ x (1/780-1/880) x 10&supmin;&sup9; x 0,07
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N = 10 Interferenzstreifen
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dN/dT = 10&supmin;³ x (1/780-1/880) x 10&spplus;&sup9; x 9,09 x 10&supmin;&sup6;
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dN/dT = 0,013 Interferenzstreifen/ºC
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In realistischen Tests des
Temperaturdetektorsystems 10 unter Verwendung der obigen Parameter sowie
des Verfahrens der Interferenzstreifenzählung, wie in der
US-Patentanmeldung 762,837 offenbart, wurden genaue
momentane Umgebungstemperaturen bis zu 1000ºC mit ±1ºC
als Betriebsinformationen über eine Turbinenmaschine für
die CPU 42 erzeugt.
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Der Fühler 19 zur Verwendung in einem oben unter
Bezug auf Figur 1 beschriebenen Temperaturdetektorsystem
10 arbeitet nur in einem Transmissionsmodus, das heißt
Licht durchläuft jedes der Bauelemente des Systems 10 nur
einmal und nur in einer Richtung. Bei bestimmten
Betriebsbedingungen kann es wünschenswert sein, und ein
kompakterer Fühler 119 kann erhalten werden, wenn das
modulierte Licht nach dem Durchlaufen des einzelnen
doppelbrechenden Bauelements oder der Einkristallplatte
durch das Temperaturdetektorsystem 210 hindurch auf einen
Strahlteiler 101 zurückreflektiert würde, wie in Figur 5
gezeigt. Ein breitbandiges Lichtspektrum aus der Quelle
100 wird durch ein Lichtwellenleiterkabel 102 auf den
Faserkoppler oder Strahlteiler 101 gelenkt. Der
Strahlteiler 101 wirkt nur auf das modulierte Licht, das von
dem doppelbrechenden Bauelement oder der
Einkristallplatte 105 in das System 210 zurückreflektiert
wird, und nicht auf das Licht aus der Quelle 100. Nach
dem Durchlaufen des Strahlteilers 101 wird Licht aus der
Quelle 100 durch einen einzelnen Linearpolarisator 103
und einen polarisationserhaltenden Wellenleiter 104 von
der in Figur 3 gezeigten Art übertragen, um es der
doppelbrechenden Kristallplatte 105 zuzuleiten. Wie bei
dem Temperaturdetektorsystem 10 wird das breitbandige
Lichtspektrum entlang der optischen Achse des
Linearpolarisators 103 und des polarisationserhaltenden
Wellenleiters 104 übertragen, die entweder parallel oder
um 90º versetzt zueinander ausgerichtet sind, und die
X- und die Z-Achse des doppelbrechenden Bauelements oder der
Einkristallplatte 105 sind um 45º oder ein ungerades
Vielfaches davon zu der optischen Achse des
polarisationserhaltenden Wellenleiters 104 und des
Linearpolarisators 103 ausgerichtet. Beim Eintreten in
das doppelbrechende Bauelement oder die Einkristallplatte
105 wird die linear polarisierte Welle in zwei orthogonal
polarisierte Wellen zerlegt, die beim Durchlaufen des
doppelbrechenden Bauelements oder der Einkristallplatte
105 wegen des Unterschieds der Brechungsindizes nx und nz
in derselben Weise wie in Figur 4 veranschaulicht eine
Phasenverschiebung erleiden. Nach dem Durchlaufen des
doppelbrechenden Bauelements oder der Einkristallplatte
105 werden beide orthogonal polarisierten Wellen von
einem Reflektor 106 in das doppelbrechende Bauelement
oder die Einkristallplatte 105 zurückreflektiert. Es wird
angenommen, daß der Reflektor 106 sowohl ein
hochreflektierender Metallspiegel oder ein direkt auf dem
doppelbrechenden Bauelement oder der Einkristallplatte
105 abgeschiedener, reflektierender Film sein kann. Beim
Austreten aus dem doppelbrechenden Bauelement oder der
Einkristallplatte 105 werden die orthogonal
polarisierten, reflektierten Wellen durch den
polarisationserhaltenden Wellenleiter 104 hindurch zu dem
Linearpolarisator 103 zurückgeleitet, wo die zwei
orthogonal polarisierten Wellen vereint werden, um ein
moduliertes Lichtspektrum mit einem eingeprägten
Interferenzstreifenmuster, wie durch Kurve 110 gezeigt,
zu erzeugen. Vorausgesetzt, daß das doppelbrechende
Bauelement oder die Einkristallplatte 105 die halbe Dicke
des doppelbrechenden Bauelements oder der
Einkristallplatte 12 von Figur 1 aufweist und beide dieselbe
Temperatur haben, würden die Kurven 110 und 50 über die
Wellenlängen dasselbe Interferenzstreifenmuster
aufweisen.
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In dem Temperaturdetektorsystem 210 wird nur ein
Teildes modulierten Lichtspektrums, im allgemeinen 50%,
das zu dem Faserkoppler oder Strahlteiler 101 übertragen
wurde, durch das Faserkabel 109 zu einer
optoelektronischen Schnittstelle 111 weitergeleitet, wo
das Interferenzstreifenmuster in der Weise wie bei dem
Temperaturdetektorsystem 10 von Figur 1 extrahiert wird.
Einige der Vorteile der Verwendung eines
Reflexionstemperaturdetektorsystems 210 gegenüber dem
Temperaturdetektorsystem 10 sind: Es werden nur ein
Polarisator 103 und ein polarisationserhaltender
Wellenleiter 104 benötigt, und das doppelbrechende
Bauelement oder die Einkristallplatte 105 muß nur halb so
dick sein, da das Licht die Platte zweimal durchläuft.