Faseroptische Temperaturmessung in der Praxis

Die Messung der Temperatur ist eine der häufigsten Messungen in Wissenschaft und Technik. Faseroptische Sensoren gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung. Grund dafür sind unter anderem deren Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Felder und die geringe Verfälschung der Messwerte wegen sehr kleiner Wärmebelastung und -kapazität. Die Sensoren sind ausserdem problemlos in chemisch aggressiver Umgebung und in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar.

Anbieter zum Thema

Nordson (Schweiz) AG - EFD Dosiertechnik

DMB Technics AG

Mikron Switzerland AG, Division Tool

joe. Zahlreiche Sensorhersteller nutzen zur Temperaturmessung die Lageabhängigkeit der sogenannten «Bandkante» eines Halbleiters von dessen Temperatur. In einem Halbleiter, wie zum Beispiel in Silizium oder Galliumarsenid, sind Elektronen in energetischen Zuständen organisiert. Zwischen einem Grundzustand, in dem sich zahlreiche Elektronen befinden, und einem energetisch höheren «Elektronenband» befindet sich eine energetische Lücke. In dieser Bandlücke können sich keine Elektronen aufhalten.

Auf den Halbleiter auftreffendes Licht kann nun, wenn seine Energie gleich oder grösser als der energetische Zustand der Bandlücke ist, Elektronen aus dem Grundzustand in das Elektronenband anheben. Dabei wird das Licht absorbiert, der Halbleiter ist lichtundurchlässig. Die Breite der Bandlücke ist abhängig von der Temperatur des Halbleiters. Misst man die Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit der Wellenlänge - der Farbe - des Lichts, beobachtet man eine Stelle, an der das Material lichtdurchlässig. Die Position dieser Stelle wird im Spektrum temperaturabhängig verschoben wird. Bei Galliumarsenid liegt die Position der «Bandkante» bei etwa 850 nm und wird mit 0,4 nm/K verschoben. In diesem Wellenlängenbereich sind Fotodioden beziehungsweise CCD-Zeilen aus Silizium sehr empfindlich.

Mechanisch robuste Sensoren

Die faseroptischen Messgeräte der Firma Micronor AG enthalten eine kleine, langlebige Lichtquelle, deren Licht in eine Glasfaser eingekoppelt wird und zu einem Galliumarsenidkristall am Ende der Glasfaser gelangt. Das Licht durchquert den Kristall, wird dabei partiell absorbiert und am Ende wieder in die Glasfaser zurückreflektiert. Ein Miniaturspektrometer in der Auswerteeinheit liefert das Spektrum und damit die Position der Bandkante, woraus die Temperatur berechnet wird.

Die Sonde besteht aus einer teflonummantelten Glasfaser und somit vollständig aus nichtmetallischem Material. Deren Spitze ist aus einem GaAs-Kristall. Die Standardlänge der faseroptischen Sonde beträgt 2 m. Über einen ST-Stecker kann die Faser mit einem Gerät der MR390-Serie gekoppelt werden. Alle Sonden können an kundenspezifische Anforderungen angepasst werden. Typische Beispiele sind: Sensorkopfdurchmesser 0,55 bis 2 mm, Sensorlängen bis 10 m, mit Verlängerungskabel bis 100 m, Sensorkopfschutzschlauch Polyimid oder PTFE, einer bis vier Sensorköpfe in verschiedenen Abständen in einer Sonde für ortsaufgelöste Temperaturmessungen. Der Temperaturmessbereich der faseroptischen Thermometer liegt zwischen -270 und +300°C. Es sind Geräte mit bis 255 Kanälen verfügbar.