Aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung

Die Erfindung richtet sich auf eine aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung umfassend einen einenends mit einer Lichtquelle in Wirkverbindung stehenden und anderenends mit einem optisch transparenten, zumindest eine optische Grenzfläche aufweisenden Sensorkopf verbundenen Eingangslichtwellenleiter sowie einen einenends mit einem Lichtdetektor in Wirkverbindung stehenden und anderenends mit dem Sensorkopf verbundenen Ausgangslichtwellenleiter, welche mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden sind, wobei mittels der Lichtquelle Licht mittels des Eingangslichtwellenleiters in den Sensorkopf einleitbar und nach mindestens einmaliger Reflexion an der zumindest einen optischen Grenzfläche aus dem Sensorkopf mittels des Ausgangslichtwellenleiters dem Lichtdetektor zuführbar ist.

Weiterhin richtet sich die Erfindung auf einen aktiven faseroptischen Betauungssensor umfassend einen einenends mit einer Lichtquelle in Wirkverbindung bringbaren und anderenends mit einem optisch transparenten, zumindest eine optische Grenzfläche aufweisenden Sensorkopf verbundenen Eingangslichtwellenleiter sowie einen einenends mit einem Lichtdetektor in Wirkverbindung bringbaren und anderenends mit dem Sensorkopf verbundenen Ausgangslichtwellenleiter.

Die meisten Messsysteme zur Bestimmung des Taupunktes bestehen aus porösen Strukturen, die Feuchtigkeit aufnehmen. Hierdurch gelangen unter anderem Verschmutzungen mit in das Messsystem, die zunehmend Einfluss auf die Kennlinienstabilität nehmen. Passive optische Messsysteme, die nach dem Prinzip der Lichtbrechung an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien arbeiten und funktionieren, besitzen im Allgemeinen

glatte, nicht hygroskopische Grenzflächen, die vergleichsweise geringfügig verschmutzen. Optische Messsysteme zur Füllstandsmessung, wie sie beispielsweise in der GB 2 076 960 A und der EP 0 450 175 Al beschrieben sind, verwenden einen Sensorkopf in Form eines dem Flüssigkeitsspiegel zugewandten Kreiskegels, dessen Mantelfläche die optische Grenzfläche bildet. Darüber hinaus sind aus der DE 100 41 729 Al ein Regentropfensensor und aus der US 6,582,658 Bl faseroptische Spezialfasern bekannt, die ebenfalls nach dem Prinzip der Lichtbrechung arbeiten. Ein faseroptischer Betauungssensor ist aus der DE 10 2005 016 640 Al bekannt.

Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Messsystemen und den damit durchgeführten Messverfahren sind die schlechte thermische Leitfähigkeit der optischen Materialien des Sensorkopfes und die daraus resultierende thermische „Trägheit" des Messsystems. Aufgrund der schlechten thermischen Leitfähigkeit der optischen Materialien und Werkstoffe, die für den Sensorkopf bei diesen optischen Sensoren verwendet werden, ist dieser sogenannte passive faseroptische Betauungssensor ein thermisch träger Sensor, der nur langsam Temperaturänderungen folgt. Der passive faseroptische Betauungssensor ist im Allgemeinen mit einem Objekt gekoppelt, bei dem eine Betauung detektiert werden soll. Bei eingetretener und detektierter Betauung wird dann ein Warnsignal erzeugt und werden Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise ein Aufheizen des Objekts, eingeleitet. Eine Bestimmung des Taupunktes findet im Allgemeinen bei diesem Sensortyp nicht statt.

Es besteht das Bedürfnis, eine faseroptische Betauungssensor- vorrichtung zur Bestimmung des Taupunktes zu schaffen, die für Anwendungen sowohl im Normaldruckbereich bei Atmosphären-

druck als auch im Hochdruckbereich bei einem Druck von mehreren hundert bar verwendbar ist. Insbesondere für Anwendungen im Hochdruckbereich ist eine druckstabile Ausführung der Sensorvorrichtung erforderlich. Weiterhin ist es wünschenswert, eine faseroptische Betauungssensorvorrich- tung, insbesondere einen faseroptischen Betauungssensor zu schaffen, die/der sich durch einen kompakten und miniaturisierten Aufbau auszeichnet und sich kostengünstig in hohen Stückzahlen herstellen und fertigen lässt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Betauungssensorvorrichtung zu schaffen, durch die der vorstehend genannte Nachteil der Trägheit des Messsystems vermieden wird und die eine hohe Messempfindlichkeit bei gleichzeitiger Störungsunempfindlichkeit aufweist.

Bei einer faseroptischen Betauungssensorvorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zumindest eine optische Grenzfläche temperierbar ausgebildet und/oder angeordnet ist.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen .

Durch die erfindungsgemäße, aufgrund der Möglichkeit der Temperierung der optischen Grenzfläche aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung wird ein optisches Messsystem mit geringer Anfälligkeit gegenüber elektrostatischen und magnetischen Störeinflüssen und mit einer hohen Messempfindlichkeit bereitgestellt. Durch die Temperierung der optischen Grenzfläche wird eine örtliche Betauung der optischen Grenzfläche aktiv herbeigeführt, ohne dass das den

eigentlichen Betauungssensor umgebende Messmedium selbst die Taupunkttemperatur aufweist. Die im Zeitpunkt der vom Lichtdetektor detektierten Betauung an der Grenzfläche herrschende und gemäß Ausgestaltung der Erfindung vom Temperatursensor gemessene Temperatur der Grenzfläche entspricht der Taupunkttemperatur des auf der Grenzfläche kondensierten Messmediums, die dieses lediglich dort örtlich gezielt erreicht. Auf diese Weise wird der Taupunkt aktiv bestimmt, noch bevor vom den Betauungssensor umgebenden Messmedium selbst der Taupunkt erreicht wird. Dadurch ist das Einleiten von Gegenmaßnahmen zur Vermeidung einer unerwünschten Betauung möglich, da die Taupunkttemperatur des Mediums mit gegebenenfalls unbekannter Zusammensetzung messbar bzw. detektierbar ist, bevor das Messmedium außerhalb in der Umgebung des Betauungssensors die Taupunkttemperatur erreicht hat.

In vorteilhafter Weiterbildung sieht die Erfindung daher vor, dass der Lichtdetektor mit einem die Temperatur der temperierbaren optischen Grenzfläche messenden Temperatur- sensor in Wirkverbindung steht.

In zweckmäßiger Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass der Eingangslichtwellenleiter und der Ausgangslichtwellenleiter sowie die zumindest eine temperierbare optische Grenzfläche so zueinander ausgerichtet sind, dass der übergang von einem unbetauten zu einem betauten Zustand der zumindest einen temperierbaren optischen Grenzfläche detektierbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist es ferner von Vorteil, wenn die zumindest eine Grenzfläche mittels eines Kühlsystems gezielt temperierbar ist. Durch ein gezieltes Herabkühlen kann je nach Anwendungsgebiet und gewünschter Genauigkeit der

zu ermittelnden Taupunkttemperatur die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung gesteuert und geregelt werden.

Damit die Kühlung nicht auf das Messmedium wirkt, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Isolierschicht die Oberflächen des Sensorkopfes mit Ausnahme der zumindest einen Grenzfläche bedeckt, so dass bei erfolgender Kühlung die zumindest eine Grenzfläche das kälteste nach außen gerichtete Element des Sensorkopfes ist.

Besonders zweckmäßig bei der Verwendung eines Kühlsystems ist es, wenn die Temperierung, insbesondere Kühlung auf einer Fläche des Sensorkopfes erfolgt, die keine Grenzfläche ist, so dass ein Temperaturtransfer durch den thermisch gut leitenden Teil und die zumindest eine optische Grenzfläche hindurch erfolgt.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kühlung des Sensorkopfes mittels auf zumindest einer Grenzfläche aufgebrachter Metall- und/oder Halbleiterstrukturen nach dem Funktionsprinzip des Peltiereffektes erfolgt, so dass bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz in Form der Kühlung erzeugt wird.

Um die Taupunkttemperatur möglichst genau zu bestimmen, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass der Sensorkopf einem stufenförmigen Temperaturzyklus folgend temperierbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung steht die Auswerteeinheit mit einem im Messmedium angeordneten Temperatursensor in Wirkverbindung steht, so dass weitere wettertechnische Werte mittels der elektronischen Auswerteeinheit bestimmbar sind.

Zur Erhöhung der Kompaktheit und zur Ermöglichung der Miniaturisierung der aktiven faseroptischen Betauungssensor- vorrichtung sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass die Dicke des Sensorkopfes im Wesentlichen dem Durchmesser der verwendeten Eingangs- und Ausgangslichtwellenleiter entspricht, so dass die räumliche Ausbreitung des sich divergent verhaltenden Lichtes im Sensorkopf begrenzt ist.

Um die Empfindlichkeit der aktiven faseroptischen Betauungs- sensorvorrichtung zu erhöhen, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass der Sensorkopf in parallele, optisch mit den Lichtwellenleitern verbundene Sensorkopfteilstrukturen aufgeteilt ist. Speziell geformte Sensorkopfteilstrukturen können dabei beispielsweise den temperaturabhängigen Brechungsindex des Sensorkopfmaterials zur Temperaturbestimmung nutzen.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass zwischen den Sensorkopfteilstrukturen Zwischen- elemente aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere einem Metallmaterial, angeordnet sind. Dadurch kann der Sensorkopf und insbesondere die thermisch schlecht leitenden Sensorkopfteilstrukturen schneller und effektiver herabgekühlt werden.

Weiter bevorzugt weisen die Sensorkopfteilstrukturen unterschiedliche Funktionseigenschaften auf, insbesondere zur Detektion von unterschiedlichen Stoffen im Messmedium. Damit ist die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung universell einsetzbar, um die Anwesenheit von unterschiedlichen Stoffen oder Stoffgruppen zu erkennen und zu kompensieren. Insbesondere Formen des Sensorkopfes, die außerhalb einer Beeinflussung durch das Messmedium liegen,

können als Referenz für den unbetauten Zustand sowie für den Grad der Oberflächenverschmutzung der Grenzfläche oder der Grenzflächen herangezogen werden.

In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass der Sensorkopf oder die Sensorkopfteilstrukturen aus einem für selektierbare Wellenlängen des Lichts durchlässigen Material bestehen. Aufgrund des selektiv spektralen Verhaltens können gezielt einzelne ausgekoppelte Lichtintensitäten von Sensorkopfteilstrukturen mit ihrer spezifischen Wellenlänge ausgelesen und bestimmt werden, so dass unterschiedliche analytische Messvorgänge, wie zum Beispiel verschiedene Kondensationsereignisse unterschiedlicher Stoffe oder Stoffgruppen, SensorJustierungen oder auch spektralanalytische Messungen von farbigem Messmedium oder -gut, mit nur einem einzigen Sensorkopf möglich sind.

Zur weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung sieht die Erfindung in zweckmäßiger Ausgestaltung vor, dass thermisch leitende Elemente und optisch leitende Elemente des Sensorkopfes großflächig, insbesondere durch Aneinanderlage, miteinander gekoppelt sind. Somit sind thermisch leitende Elemente und optisch leitende Elemente des Sensorkopfes derart aneinander liegend miteinander verbunden, dass der thermische übergangswiderstand zwischen den beiden aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Elementen möglichst gering ist. Um dabei einen besseren thermischen Kontakt herzustellen, kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste eingesetzt werden, was die Empfindlichkeit und somit die Reaktionsgeschwindigkeit der Betauungssensorvorrichtung erhöht .

Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Empfindlichkeit der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung ist in Ausgestaltung der Erfindung dadurch gegeben, dass eine teiltransparente Beschichtung aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere eine optisch transparente Metallbeschichtung, auf die zumindest eine Grenzfläche des Sensorkopfes oder auf die Oberfläche der Sensorkopfteilstrukturen aufgebracht ist. Damit werden eine einheitliche Temperaturverteilung und ein Oberflächenspannungsausgleich des Kondensats auf beispielsweise einer Grenzfläche erzielt, die mischstrukturiert ausgebildet ist bzw. aus Sensorkopfteilstrukturen mit dazwischen angeordneten thermisch gut leitenden Zwischenelementen besteht. Das bei Betauung entstehende Kondensat bildet sich primär an der kältesten Stelle auf der mischstrukturierten Sensorkopfoberfläche, also den thermisch besser leitenden Strukturen. Auf diesen thermisch besser leitenden Strukturen muss sich zuerst eine ausreichende Menge von Kondensat ansammeln, damit auch ein Benetzungssprung auf das benachbarte optische Material stattfindet, d.h. damit sich die auf den thermisch besser leitenden Strukturen einsetzende Benetzung bis auf und über die benachbarte optische Struktur ausweitet und ausbreitet. Auf einer homogenen Oberfläche, wie zum Beispiel einer Metall-Beschichtung, mit gleichem Oberflächenmaterial und geringeren partiellen Temperaturunterschieden findet eine Benetzung bzw. deren flächenmäßige Ausbreitung über darunterliegende Strukturen zeitlich schneller und gleichförmiger statt, weil keine direkten Materialgrenzflächen mehr vorhanden sind, sondern von der Beschichtung abgedeckt und überdeckt sind.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung im Hinblick auf die Kompaktheit der Vorrichtung besteht darin,

dass jeder Sensorkopfteilstruktur jeweils ein Ausgangslichtwellenleiter zugeordnet ist, dessen jeweiliger Durchmesser im Wesentlichen der Dicke der jeweiligen Sensorkopfteilstruktur entspricht .

In Weiterbildung der Erfindung findet durch eine fein- gliedrige Mischstrukturierung von optischen Sensorkopfteilstrukturen und thermisch gut leitenden Zwischenelementen eine Betauung der optischen Sensorkopfteilstrukturen statt. Bei dieser Mischstrukturierung ist die Dicke der einzelnen optischen Sensorkopfteilstrukturen so bemessen, dass sie im Wesentlichen kleiner als ein messrelevanter Kondensattropfen ist, so dass eine Kondensation bereits im mikroskopischen Maßstab detektierbar ist. Die Größe eines messrelevanten Kondensattropfens ist dabei von dem Anwendungsgebiet der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung abhängig, so dass die Dicke der Sensorkopfteilstrukturen im Vorfeld entsprechend der Anwendung festzulegen ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Sensorkopf oder eine jeweilige Sensorkopfteilstruktur eine lineare Form, eine nichtlineare Form oder eine halbkreisförmige Form auf. Bei Verwendung von Sensorkopfteilstrukturen ist es darüber hinaus denkbar, verschiedene Formen für einzelne Sensorkopf- teilstrukturen gemischt zu verwenden.

Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, dass eine Form des Sensorkopfes oder der Sensorkopfteilstrukturen ausgewählt und vorgesehen ist, die eine Bestimmung der Taupunkttemperatur ohne den Temperatursensor ermöglicht. Diese besondere Form erlaubt es dann, aus der gemessenen Differenz des in den Sensorkopf eingekoppelten Lichtes und des aus dem Sensorkopf ausgekoppelten Lichtes mittels einer

mathematischen Berechnung durch Lösung einer Differentialgleichung von n-ter Ordnung die Taupunkttemperatur zu berechnen, so dass ein die Temperatur einer temperierten Grenzfläche messender Temperatursensor entfallen kann.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass bei einer halbkreisförmigen Form des Sensorkopfes eine Einkopplung des Lichts in einen randnahen Bereich des Sensorkopfes erfolgt. Bei einer halbkreisförmigen Form des Sensorkopfes wird dabei der Effekt genutzt, dass sich das in den Sensorkopf eingekoppelte Licht nur in einem optisch leitenden, randnahen Bereich zwischen einer äußeren optischen Grenzfläche und einer inneren optischen Reflexionsfläche ausbreitet.

Dadurch, dass sich das eingekoppelte Licht nur in einem randnahen Bereich ausbreitet, ist es in Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, wenn zumindest ein Teil des Sensorskopfes, in dem sich über den Eingangslichtwellenleiter eingekoppeltes Licht nicht ausbreitet, aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere einem Metallmaterial, besteht. Dadurch kann der Sensorkopf effektiver und schneller herabgekühlt und der Taupunkt des den Sensorkopf umgebenden Messmediums schneller bestimmt werden.

Darüber hinaus ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung schließlich von Vorteil, wenn ein randnaher Bereich des Sensorkopfes aus einem optisch leitenden Material ausgebildet ist, dessen Dicke soweit vermindert oder reduziert ist, dass die Reflexion des über den Eingangslichtwellenleiter in den Sensorkopf eingekoppelten Lichts zwischen der äußeren optischen Grenzfläche und einer inneren optischen Reflexionsfläche des randnahen Bereichs erfolgt. Dadurch ist eine

kostengünstige und einfache Bauweise für einen nichtlinearen Sensorkopf gegeben, da der aus einem thermisch gut leitenden Material bestehende Teil oder Kern des Sensorkopfes mit einer Folie oder einer transparenten Lackschicht als Grenzfläche zu überziehen ist, in der sich das Licht ausbreiten kann.

Weiterhin kann die Signalübertragung an die elektronische Auswerteeinheit in druckbeaufschlagten oder abzutrennenden Messbereichen, wie beispielsweise bei Anwendungen im Hoch- druckbereich, durch optisch transparente und/oder für selektive Wellenlängen durchlässige Dichtmaterialien erfolgen.

Eine controllergestützte Auswertung ermöglicht bei dem Erfindungsgegenstand eine Selbstkalibrierung und Fehlerkompen- sation der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung. Darüber hinaus ist eine Verwendung eines nichtelektrischen und potenzialfreien Messprinzips im Messmedium möglich, d.h. es sind bei der Taupunktbestimmung keine elektrischen Bauteile im Messmedium angeordnet. Ferner ist das Kühlsystem sowohl für Peltierelemente als auch für andere Kühlsysteme ausgelegt. Durch die Verwendung eines speziellen Messverfahrens und Anwendung eines bestimmten Temperaturzyklus beim Herabkühlen des Sensorkopfes wird die Empfindlichkeit der Betauungs-sensorvorrichtung erhöht. Durch den speziell strukturierten Aufbau von optischen und thermisch leitenden Elementen, wie beispielsweise der Sensorkopfteilstrukturen mit dazwischen liegend angeordneten Zwischenelementen oder wie beispielsweise die auf den aus einem optisch leitenden Material bestehenden Sensorkopf aufgebrachte Metall-beschich- tung, ist das thermische änderungsverhalten der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung verbessert.

Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäße aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung zur Bestimmung des Taupunktes eines Mediums oder Messmediums durch einen kompakten und miniaturisierten Aufbau aus und weist eine hohe Empfind- lichkeit mit der Möglichkeit der quantitativen Bestimmung der benetzten Messfläche auf. Eine nicht hygroskopische, glatte, robuste Grenzfläche ermöglicht ein stabiles Langzeitverhalten und gewährleistet, dass sich keine Fremdstoffe oder Verschmutzungen anlagern können. Verunreinigungen und/oder Bei- mengungen von beispielsweise dünnen ölschichten im Messmedium, was bei Systemen mit hygroskopischen Materialien zum Ausfall führen würde, werden von der Betauungssensorvorrichtung kompensiert. Es ist keinerlei Justierung bei der Herstellung und beim Betrieb der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung notwendig, weil der messspezifische Winkel für eine bei Betauung einsetzende Lichtbrechung durch die Form des Sensorkopfes bei dessen Herstellung festgelegt ist. Somit ist die Betauungs-sensor- vorrichtung nahezu wartungsfrei. Die preiswert herzustellende aktive faseroptische Betauungssensor-vorrichtung ist lang- zeitstabil sowie aufgrund des optischen Messprinzips gegenüber Störungen unanfällig und zeichnet sich durch eine robuste Bauweise aus, so dass ein breites Feld von Anwendungsmöglichkeiten gegeben ist.

Bei einem aktiven faseroptischen Betauungssensor der eingangs bezeichneten Art wird die oben stehende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zumindest eine optische Grenzfläche temperierbar ausgebildet ist.

Hierbei zeichnet sich der Betauungssensor in einer vorteilhaften Weiterbildung ferner dadurch aus, dass der

Sensorkopf einen die Temperatur der zumindest einen optischen Grenzfläche messenden Temperatursensor aufweist.

In besonders vorteilhafter Weise ist der Betauungssensor in einer Betauungsvorrichtung einsetzbar, so dass die Erfindung weiterhin vorsieht, dass der Betauungssensor Bestandteil einer Betauungssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 ist.

Um Bestandteil der erfindungsgemäßen Betauungssensorvorrichtung zu sein, ist es weiterhin zweckmäßig, wenn der Betauungssensor die Merkmale des Sensorkopfes der Betauungssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 aufweist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.

Der erfindungsgemäße Betauungssensor weist dieselben Vorteile auf, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung dargestellt sind.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der beispielhaft bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. IA eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung,

Fig. IB eine Frontansicht auf die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung der ersten Ausführungsform,

Fig. IC eine weitere Frontansicht auf die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung der ersten Ausführungsform,

Fig. ID eine weitere Frontansicht auf die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung der ersten Ausführungsform,

Fig. 2A eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung,

Fig. 2B eine Frontansicht auf die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung der zweiten Ausführungs- form,

Fig. 3A eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung,

Fig. 3B eine Frontansicht auf die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung der dritten Ausführungsform,

Fig. 3C eine Seitenansicht der dritten Ausführungsform einer aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung,

Fig. 3D eine weitere Seitenansicht der dritten Ausführungsform einer aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung,

Fig. 3E eine noch weitere Seitenansicht der dritten Ausführungsform einer aktiven faseroptischen Be- tauungssensorVorrichtung,

Fig. 4 eine exemplarische Ansicht von Temperaturverläufen beim Herunterkühlen des Sensorkopfes,

Fig. 5A eine schematische Darstellung einer controllergestützten Auswerteeinheit,

Fig. 5B eine schematische Darstellung einer weiteren controllergestützten Auswerteeinheit,

Fig. 6 eine Seitenansicht eines in Form eines Prismas ausgebildeten optischen Sensorkopfes,

Fig. 7 eine Seiten- und Frontansicht auf die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung der ersten Ausführungsform,

Fig. 8 eine Seitenansicht der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung der zweiten Ausführungsform,

Fig. 9 eine Seiten- und Frontansicht auf die aktive faser- optische Betauungssensorvorrichtung der dritten

Ausführungsform und

Fig. 10 beispielhaft verwendbare Grundformen von Sensorköpfen.

Der aktive faseroptische Betauungssensor oder die aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung (a-FoBt) gemäß der Erfindung basiert auf einem passiven faseroptischen Betauungssensors (p-FoBt) , der nach dem Prinzip der Totalreflexion funktioniert. Bei diesem Prinzip wird das in einen Sensorkopf 1 eingekoppelte und beispielsweise aus einer Lichtquelle 30 stammende Licht im unbetauten Zustand des Sensorkopfes 1 an einer optischen Grenzfläche zweier Medien, die im Rahmen der Erfindung als Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Sensorkopfes 1 und der den Sensorkopf 1 umgebenden Luft (Messmedium) definiert ist, vollständig reflektiert. Bei einsetzender Betauung, d.h. bei Benetzung dieser optischen der Grenzfläche mit Flüssigkeitsmolekülen bzw. Kondensat, wird das in den Sensorkopf 1 eingekoppelte Licht nicht mehr vollständig an der Grenzfläche reflektiert, sondern an der Grenzfläche teilweise gebrochen und aus dem Sensorkopf 1 nach außen abgestrahlt. Dadurch nimmt das an einem Ausgangslichtwellenleiter 5 ankommende Licht in seiner Intensität ab und zeigt eine einsetzende Betauung der Grenzfläche des Sensorkopfes 1 an. Aufgrund der schlechten thermischen Leitfähigkeit der für den Sensorkopf 1 verwendeten optischen Materialien ist ein passiver faseroptischer Betauungssensor ein thermisch träger Sensor, der nur langsam bzw. verzögert den Temperaturänderungen im Messmedium passiv folgt.

In Fig. 10 sind beispielhafte Grundformen eines optischen Sensorkopfes 1 von passiven faseroptischen Betauungssensoren dargestellt, die zum Teil im Rahmen der vorliegenden

Erfindung einer aktiven faseroptischen Betauungssensor- vorrichtung (a-foBt) verwendet werden.

Mit Ausnahme des ersten Sensorkopfes 1 (Rf=I) weisen alle anderen dargestellten Sensorköpfe 1 (Rf=2, Rf=3, Rf=4, ... Rf=n) eine parallele Anschlussweise von Eingangslichtwellenleiter 2 und Ausgangslichtwellenleiter 5 zur Ein- und Auskopplung des Lichts in den Sensorkopf 1 auf. Bei linearen Formen des Sensorkopfes 1 entspricht die Anzahl der Reflexionswinkel (Rf) der Anzahl der optischen Grenzflächen, an denen das in den Sensorkopf 1 eingekoppelte Licht reflektiert wird. Bei nur einem Reflexionswinkel (RF=I) sind der Eingangslichtwellenleiter 2 und der Ausgangslichtwellenleiter 5 unter einem bestimmten Winkel zueinander am Sensorkopf 1 angeordnet. Das eingekoppelte Licht wird im unbetauten Zustand des Sensorkopfes 1 an der einen Grenzfläche reflektiert und in den Ausgangslichtwellenleiter 5 ausgekoppelt. Bei einer Anzahl von mindestens zwei Reflexionswinkeln sind, wie vorstehend erwähnt, der Eingangs- lichtwellenleiter 2 und der Ausgangslichtwellenleiter 5 parallel zueinander angeordnet. Das eingekoppelte Licht wird im unbetauten Zustand des Sensorkopfes 1 an den Grenzflächen reflektiert und in den Ausgangslichtwellenleiter 5 ausgekoppelt.

Mit zunehmender Anzahl von Reflexionswinkeln nähert sich die Form des Sensorkopfes 1 einer Kreisform bzw. Halbkreisform (Rf=n) . Die Besonderheit der Halbkreisform ist, dass sich das in den Sensorkopf 1 divergent eingekoppelte Licht oder der Lichtstrahl bei einer Einstrahlung im Randbereich des Sensorkopfes 1 nicht mehr im ganzen Halbkreis verteilt und ausbreitet, sondern nur noch unter flachen Winkeln entlang der runden Grenzfläche des Sensorkopfes 1 reflektiert wird.

Bei diesem optischen Effekt erfolgt die Ausbreitung des eingekoppelten Lichts nur in einem schmalen Randbereich nach Art eines Skin-Effekts, bei dem der durch eine Leitung fließende Strom an den Rand der Leitung verdrängt wird. Aus dieser Vielzahl von unterschiedlichen Reflexionswinkeln liegen ausreichend viele nahe am optischen Grenzwinkel (42° für Glas/Luft) , so dass auch diese Form des Sensorkopfes 1 eine Betauung anzeigt.

Es sei hierzu noch angemerkt, dass sich das Licht bei allen Formen des Sensorkopfes 1 divergent verteilt, wobei in den ersten vier Darstellungen von Fig. 10 (Rf=I bis Rf=4) exemplarisch nur ein Verlauf des reflektierten Lichtstrahls gezeigt ist.

Der Sensorkopf 1 ist für die Sensorkopfformen, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden, möglichst so flach wie die Lichtwellenleiter 2, 5 auszuführen. Die Dicke des Sensorkopfes 1 sollte im Wesentlichen dem Durchmesser der verwendeten Eingangs- und Ausgangslichtwellenleiter 2 und 5 entsprechen, so dass sich das in den Sensorkopf 1 eingekoppelte Licht im Wesentlichen nur in eine Richtung divergent ausbreitet .

Als exemplarische Form für einen Sensorkopf 1 der ersten und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine in Fig. 6 dargestellte Dreiecksform bzw. ein Prisma (Rf=2) verwendet. Die dritte Ausführungsform verwendet eine Halbkreisform für den Sensorkopf 1 und nutzt den bei dieser Rundform (Rf=n) auftretenden optischen Effekt aus.

Bei der Dreiecksform des Sensorkopfes 1 mit zwei Reflexionswinkeln (Rf=2) breitet sich das über den Eingangslichtwellen-

leiter 2 eingekoppelte Licht divergent im Sensorkopf 1 aus. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, wird das Licht im unbetauten Zustand der Grenzflächen 3 und 4 derart an diesen reflektiert, dass es um 180° gedreht in den Ausgangslicht- Wellenleiter 5 zurückgekoppelt wird. Die Winkel des in Form eines Prismas ausgebildeten Sensorkopfes 1 sind so gewählt, dass der Hauptanteil des divergenten Lichts knapp unterhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion liegt. Bei einsetzender Betauung des Sensorkopfes 1 tritt nun ein Medienwechsel von Luft zu Wasser an den optischen Grenzflächen 3 und 4 auf. Hierdurch verändert sich der Grenzwinkel der Totalreflexion und Anteile des Lichts verlassen aufgrund der einsetzenden Lichtbrechung den Sensorkopf 1. Die dabei auftretende Lichtdifferenz, d.h. die Dämpfungszunähme oder die Dämpfung der Lichtintensität, ist die eigentliche zu bestimmende Messgröße, die eine Betauung anzeigt.

Der in Form eines Prismas oder eines Dreiecks ausgebildete Sensorkopf 1 der ersten Ausführungsform der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung ist in den Figuren IA bis ID und 7 dargestellt und weist zwei Grenzflächen 3 und 4 auf. Es kann allerdings auch jede andere lineare Form sowie eine nichtlineare Form für den Sensorkopf 1 verwendet werden.

Der Sensorkopf 1 der ersten Ausführungsform ist in parallel zueinander angeordnete Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n aufgeteilt. über einen Eingangslichtwellenleiter 2 wird Licht in einen optischen Eingangskoppler 17 geleitet, das sich dann durch sein divergentes Ausbreitungsverhalten in die sechs mit dem optischen Eingangskoppler 17 verbundenen Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n, die in Form von Dreiecken ausgebildet sind, ausbreitet. Die gewählte Anzahl von Sensorkopfteilstrukturen ist nur exemplarisch und es kann eine davon

abweichende Anzahlen von Dreiecken gewählt werden. Die sechs Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n sind hintereinander und aneinander liegend angeordnet. Durch Reflexion des Lichtstrahls an den optischen Grenzflächen 3 und 4 wird das in die Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n eingekoppelte Licht um 180° reflektiert und gedreht und über einen optischen Ausgangskoppler 18 in einen zweiten Lichtwellenleiter, den Ausgangslichtwellenleiter 5, geleitet. Der Ausgangslichtwellenleiter 5 sammelt das aus den Sensorkopf- teilstrukturen 1.1 bis l.n ausgekoppelte Licht und überführt es in Form eines Signals zu einer elektronischen oder optoelektronischen Auswerteeinheit 31, die in den Figuren 5a und 5B dargestellt ist.

Parallel zur Planseite der Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n befinden sich Zwischenelemente 8 in Form von Dreiecken, die thermisch mit einer Grundplatte 9 verbunden sind. Die fünf dargestellten Zwischenelemente 8 bestehen aus einem thermisch gut leitenden Material, wie beispielsweise einem Metallmaterial, und sind zwischen den Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n angeordnet. In dieser Ausführungsform bestehen die Zwischenelemente 8 aus Aluminium, das eine gute bzw. hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es können aber auch andere Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Demnach ist der Sensorkopf 1 der ersten Ausführungsform mit thermisch gut leitenden Schichten sandwichartig durchsetzt. Dieser sandwichartige Aufbau des Sensorkopfes 1 aus Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n mit dazwischen liegend angeordneten Zwischenelementen 8 führt zu mischstrukturierten Grenzflächen 3 und 4, die aus abwechselnd thermisch gut leitenden Abschnitten und optischen Abschnitten bestehen, die aneinander liegend angeordnet und somit großflächig miteinander gekoppelt sind.

Die Grundplatte 9 besteht ebenfalls aus einem thermisch gut leitenden Material. Die thermisch mit der Grundplatte 9 verbundenen fünf Zwischenelemente 8 können über die Grundplatte 9 mittels einer Kühleinheit 10 gezielt temperiert werden. Beispielhaft kann zur Kühlung dabei ein Peltierelement verwendet werden, welches bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Anfallende Abwärme kann beispielsweise über einen Kühlkörper 11 abgeführt werden. Um eine Kondensation ausschließlich auf der optischen Grenzfläche 3 hervorzurufen, müssen alle Elemente des Kühlsystems 10 und 11, die nicht auf der optischen Grenzfläche 3 liegen, luftdicht und thermisch versiegelt werden. Die Abbruchkante von in Fig. IA dargestellten Isolierschichten 12, die ganzflächig die Seitenfläche des Sensorkopfes 1 bzw. der außen liegenden Sensorkopf- teilstrukturen 1.1 und l.n bedecken, ist nur zur besseren Einsicht auf die darunter liegenden Strukturen entsprechend eingezeichnet. Die Isolierschichten 12 verhindern eine Kondensation an nicht erwünschten Stellen, so dass die auf der Grenzfläche 3 ausgebildete Metallstruktur den kältesten Punkt im System bildet, d.h. die Grenzfläche 3 ist das kälteste nach außen gerichtete Element der Betauungssensor- vorrichtung.

Durch den Verzicht auf die Grenzfläche 4 kann der Eintrag der Kühlung mittels der Kühleinheit 10 von dieser Stelle aus erfolgen, wobei der Sensorkopf 1 noch ausreichend empfindlich bleibt. Die Grenzfläche 3 stellt somit eine aktive Grenzfläche des Sensorkopfes 1 dar, da an ihr aufgrund des Herabkühlens mittels der Kühleinheit 10 eine Betauung herbeigeführt wird, obwohl im Messbereich der Taupunkt noch nicht wirklich erreicht ist. Diese aktive Grenzfläche 3 ist

dann abwechselnd mit einer thermisch leitenden Schicht, einem Zwischenelement 8 bestehend aus beispielsweise Aluminium, und einer optischen Schicht, einer Sensorkopfteilstruktur 1.1 bis l.n bestehend aus Polymethylmethacrylat (PMMA) oder der- gleichen, ausgestaltet.

Beim Herabkühlen des Sensorkopfes 1 mittels der Kühleinheit 10 tritt eine Kondensation zuerst auf der Oberfläche der thermisch leitenden Zwischenelemente 8 auf, die sich dann auf den Oberflächen der thermisch trägeren Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n, d.h. der optischen PMMA-Schichten, fortsetzt. Um bei der durch das Herabkühlen herbeigeführten Betauung eine bessere Verteilung des Kondensats auf den optischen PMMA-Schichten, d.h. den Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n, zwischen den als Streben ausgebildeten Aluminium-Schichten, d.h. den Zwischenelementen 8, auf der Grenzfläche 3 zu erreichen, kann die Oberfläche der Grenzfläche 3 mit einer optisch transparenten Metall- beschichtung 13 belegt werden.

Diesbezüglich wurden auf der Betauungsoberflache bzw. der Grenzfläche 3 erfolgreich Beschichtungsversuche mit Goldauflagen (durch das sogenannte Sputtern) auf der PMMA- Schicht durchgeführt. Dabei wurde erkannt, dass sich Strukturen durch vorheriges Abdecken sowie teiltransparente bis lichtdichte Beschichtungen aufbringen lassen. Am Beispiel eines an den Sensorflächen teiltransparent beschichteten Prismas wurden die Seitenflächen stärker vergoldet, um einen besseren thermischen übergang für eine Fremdtemperierung zu schaffen.

Damit auch die thermisch trägeren Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n schneller auf ein Herabkühlen ansprechen,

empfiehlt sich eine großflächige Kopplung von thermisch leitenden Elementen und optisch leitenden Elementen. Eine Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit der thermisch trägeren Sensorkopfteilstrukturen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Zwischenelemente 8 die Seitenflächen der jeweiligen Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n vollständig überdecken. Darüber hinaus oder alternativ kann eine großflächige Kopplung auch dadurch realisiert werden, dass mittels des Kühlelements 10 und der Grundplatte 9 die Kühlung auf der gesamten Oberfläche der Grenzfläche 4 in den Sensorkopf 1 eingebracht wird.

Um eine einheitliche Verteilung des beim Herabkühlen auf der Oberfläche der Grenzfläche 3 gebildeten Kondensats zu erzielen, so dass auch die thermisch trägeren Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n benetzt werden, ist eine feingliedrige Mischstrukturierung von optischen Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n und thermischen Zwischenelementen 8 anzustreben. Dabei sollte vorzugsweise die Dicke der jeweiligen Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n und Zwischenelemente 8 so bemessen sein, dass sie kleiner als ein durch das Herabkühlen erzeugter Kondensattropfen sind.

Eine Aufteilung der aktiven faseroptischen Betauungssensor- Vorrichtung in Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n, wie in Fig. IC dargestellt, eröffnet die Möglichkeit, diese mit speziellen Eigenschaften zu versehen. So kann durch unterschiedliche Formen der einzelnen Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n, d.h. durch vorherige Festlegung des Grenzwinkels für ein bestimmtes Kondensat, die Anwesenheit anderer Stoffe oder Stoff- oder Kondensatgruppen im Messmedium erkannt bzw. kompensiert werden. Formen der Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n, die außerhalb einer Beein-

flussung durch das Messmedium liegen, können als Referenz für den unbetauten Zustand sowie für den Grad der Oberflächenverschmutzung herangezogen werden. Speziell geformte Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n können beispielsweise die Temperaturabhängigkeit des verwendeten Materials zur Temperaturbestimmung nutzen. Materialien mit selektiv spektralem Verhalten ermöglichen weitere analytische Messvorgänge. Als Materialien kommen beispielsweise Kunststoffe in Betracht, die bei Feuchtigkeitsaufnahme eintrüben und die somit in ihrer Lichtdurchlässigkeit abnehmen. Ferner können Materialien mit Farbstoffen verwendet werden, die bei Feuchtigkeit oder Temperaturänderung die Farbe ändern bzw. wechseln. Wenn ein solches Material verwendet und zum Beispiel auf die Grenzfläche des Sensorkopfes oder einer Sensorkopfteilstruktur aufgebracht wird, reflektiert es bestimmte Wellenlängen, die es bei Farbänderung absorbiert. Somit erhält man mit verschiedenen Sensorkopfteilstrukturen eine Plattform, die mit anderen Funktionen erweitert werden kann, so dass der Sensor als Kombisensor oder Kombinationssensor verwendet werden kann.

Darüber hinaus kann die Aus- und Einkopplung des Lichts in die Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n sowohl über zusätzliche Eingangslichtwellenleiter 5.1 bis 5.n, wie in Fig. IC gezeigt, als auch mit Hilfe von Filtermasken 27, wie schematisch in den Figuren ID und 5B dargestellt, erfolgen. Ferner kann nur ein bestimmter spektraler Bereich des Lichts in die Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n eingekoppelt werden, in dem eine aus einem spektral selektiven Material bestehende Sensorkopfteilstruktur 28 selbst als eine Art Filter wirkt, die nur einen bestimmten Anteil des Lichts durchlässt und somit einkoppelt, wie in den Figuren ID und 5B gezeigt ist. Die verschiedenen spektralen Anteile, die über

den gemeinsamen Ausgangslichtwellenleiter 5 zur optoelektronischen Auswerteeinheit 31 geführt werden, können dann mittels optischer Filter 34 bzw. wellenlängenspezifischer Filter 34 vor dem Lichtdetektor 35 wieder getrennt und einzeln von der Auswerteeinheit 31 ausgewertet werden, wie schematisch in Fig. 5B dargestellt ist.

Die zweite Ausführungsform der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung ist exemplarisch in den Figuren 2A, 2B und 8 dargestellt. Wie vorstehend erwähnt, weist der dargestellte Sensorkopf 1 eine Dreiecksform oder die Form eines Prismas auf. Auch bei der zweiten Ausführungsform wird Licht über den Eingangslichtwellenleiter 2 in den Sensorkopf 1 eingekoppelt. Durch Reflexionen an den optischen Grenzflächen 3 und 4 wird der Lichtstrahl um 180° gedreht und in den Ausgangslichtwellenleiter 5 geleitet und von einer optoelektronischen Auswerteeinheit 31, die in Fig. 5A und 5B dargestellt ist, ausgewertet.

Der Sensorkopf 1 der zweiten Ausführungsform besteht vollständig aus einem optisch leitenden Material, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), und weist keine Sensorkopfteilstrukturen auf. Die in Fig. 2B dargestellte Dicke 20 des Sensorkopfes 1 sollte im Wesentlichen dem Durchmesser der verwendeten Eingangs- und Ausgangslichtwellenleiter 2 und 5 entsprechen, so dass sich das in den Sensorkopf 1 eingekoppelte Licht im Wesentlichen nur in eine Richtung divergent ausbreitet.

Die Kühleinheit 10 der zweiten Ausführungsform besteht aus einem p-, n-dotierten Halbleiterpaar 6, das über einen Metallstreifen 7 mit der optischen Grenzfläche 3 des Sensorkopfes 1 verbunden ist. Um einen besseren thermischen

Kontakt von Grenzfläche 3 und Metallstreifen 7 herzustellen, kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste eingesetzt werden. Dies verhindert zusätzlich, dass Kondensat 19 unter die Kontaktfläche gelangt. Alternativ kann der Metallstreifen 7 eine auf die Grenzfläche 3 aufgebrachte Metallbeschichtung sein, deren Querschnitt für die entsprechende Stromstärke der Kühleinheit 10 oder eines Peltierelements ausgelegt ist.

Das Halbleiterpaar 6 weist an einer seiner beiden Stirnflächen 14 eine Kontaktfläche (Pluspol) zum n-dotierten Halbleiter und an der Stirnfläche 15 eine Kontaktfläche (Minuspol) zum p-dotierten Halbleiter auf. Wird nun durch die oberen Stirnflächen 14 und 15 des Halbleiterpaares 6 hindurch ein Strom geleitet, so entsteht an der Kontaktfläche mit dem in Form eines Prismas ausgebildeten Sensorkopf 1 die kälteste Stelle im System, an der sich bei Erreichen der Taupunkttemperatur Kondensat 19 bildet. Bei überschreitung einer bestimmten Kondensatmenge wird auch die Grenzfläche 3 benetzt und Anteile des eingekoppelten Lichts durch Lichtbrechung dem Sensorkopf 1 entzogen. Durch eine optisch transparente Metallbeschichtung 13 wird diese Benetzung der optischen Grenzfläche 3 aufgrund des gleichen Materials, der Dipoleigenschaft von Wasser und dem gleichen Temperaturniveau erheblich verbessert. Eine Betauung der Grenzfläche 4 wird zeitlich verzögert einer Benetzung der Grenzfläche 3 folgen, weil die Grenzfläche 3 infolge der dort angeordneten Kühleinheit 10 in Form des Halbleiterpaares 6 die kälteste Stelle im Messsystem ist.

Die im Bereich der Stromzuführung an den Enden des Halbleiterpaares 6 entstehende Abwärme muss über den

Kühlkörper 11 abgeleitet werden, was beispielsweise mittels

einer Halterung für das Halbleiterpaar 6 erfolgen kann, die der Wärmeabfuhr sowie der Stromzufuhr dient.

Die zwischen den Halbleitern des Halbleiterpaares 6 angeordnete Isolierschicht 12 verhindert eine messtechnisch nicht verwertbare Kondensatbildung im Bodenbereich zwischen den beiden Halbleitern des Halbleiterpaares 6. Die Anordnung und Anzahl der Kühlkörper 11 können entsprechend auf beiden Seiten des Halbleiterpaares 6 variiert werden. Auch können mehrere Halbleiterpaare 6 auf einer Grenzfläche 3 oder auf beiden Grenzflächen 3 und 4 angeordnet sein, so dass eine großflächige Kopplung von thermischen und optischen Elementen der Betauungssensorvorrichtung erreicht wird. Anzumerken ist, dass diese Bauweise sowohl für den Hochdruck- als auch für den Normaldruckbereich konzipiert ist.

Bei der ersten und zweiten Ausführungsform wird eine änderung des optischen Messsignals durch Anlagerung von Kondensat auf zumindest einer der optischen Grenzflächen 3 und 4 hervorgerufen. Diese Kondensation setzt bei Erreichen der Taupunkttemperatur an der kältesten Stelle der Oberfläche des Sensorkopfes 1, also der entsprechenden Grenzfläche 3 und/oder 4, ein. Besteht die Sensoroberfläche und damit die Grenzfläche 3 und 4 wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform aus thermisch unterschiedlich leitenden, mischstrukturierten Materialien (PMMA 1.1-l.n und Aluminium 8 bzw. PMMA und Metallplatte 7), so betauen nur die thermisch besser leitenden Strukturen. Eine Signaländerung setzt erst ein, wenn die Kondensatmenge ausreicht, um auch benachbarte optische Strukturen zu benetzen. Diese Verzögerung der Benetzung kann durch Aufbringung von optisch teiltransparenten, thermisch leitenden Schichten (z.B. durch Sputtern) , die nur einen Austritt des in die

Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis 1-n eingekoppelten Lichts und keinen Eintritt von Licht aus dem Messmedium in die Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n ermöglichen, reduziert werden.

Eine weitere Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit der mischstrukturierten Grenzflächen, sowie sie bei der ersten und zweiten Ausführungsform vorliegen, kann durch Ausnutzung der unterschiedlichen thermischen Trägheit der verwendeten Materialien erreicht werden. Fig. 4 gibt exemplarisch das mittels der Betauungssensorvorrichtung der ersten und zweiten Ausführungsform durchgeführte Verfahren zur Bestimmung des Taupunkts durch den stufenförmigen Messverlauf bei Herabkühlen des Sensorkopfes 1 bzw. der Sensorkopf- teilstrukturen 1.1 bis l.n wieder. Die Linie 26 entspricht dabei der Temperatur, die das optische Material des Sensorkopfes 1 beim Herunterkühlen annimmt, wohingegen die Linie 21 die Temperatur des thermisch gut leitenden Materials beim Herunterkühlen des Sensorkopfes 1 wiedergibt. Das Herunterkühlen des Sensorkopfes 1 bzw. seiner Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n erfolgt dabei anhand eines stufenförmigen Temperaturzyklus mit einzelnen Stufen 25. Durch Kühlung des Sensorkopfes 1 sinkt die Temperatur T bzw. die Dämpfung D des thermisch besser leitenden Materials (Kennlinie 21) schneller als die des optischen Materials (Kennlinie 26) . Wird nun die Kühleinheit 10 kurzzeitig nach Erreichen einer ersten Stufe 25 abgeschaltet, so erwärmt sich das thermisch besser leitende Material schneller als das optische Material. Haben zu diesem Zeitpunkt beide Materialien die Kennlinie der Taupunkttemperatur 22 unterschritten, wird das an der thermisch besser leitenden Struktur gebildete Kondensat durch Erwärmung frei gegeben und kann sich an der kurzzeitig kühleren optischen Struktur

absetzen. Hierdurch fällt die rückgekoppelte optische Leistungskennlinie 23 oder optische Dämpfungskennlinie 23 sprunghaft ab, weil die einsetzende Lichtbrechung die rückgeführte Lichtmenge reduziert. Bei Herunterkühlen beider Materialien wird die fallende Temperatur des optischen Materials gegenüber dem thermisch besser leitenden Material in einem zeitlichen Abstand folgen. Wird nun die Kühlung ausgesetzt, nachdem beide Materialien den Taupunkt unterschritten haben, so erwärmt sich das thermisch besser leitende Material schneller. Dadurch wird das gebundene

Kondensat an dem thermisch besser leitenden Material frei gegeben und kondensiert augenblicklich an dem noch kälteren

(trägeren) optischen Material. Dies ist der Moment, der durch den Abfall der rückgekoppelten optischen Leistungskennlinie 23 oder Dämpfungskennlinie 23 am Punkt 24 eine Betauung der Grenzfläche 3, 4 anzeigt, die vom Lichtdetektor 35 detektiert bzw. gemessen wird. Mittels eines mit der entsprechenden Grenzfläche 3, 4 gekoppelten und mit der Auswerteeinheit 31 und dem Lichtdetektor 35 in Wirkverbindung stehenden Temperatursensors 38, der in den Figuren 5A und 5B schematisch dargestellt ist, wird in diesem Moment die Taupunkttemperatur erfasst, die damit mittels des gezielten und gesteuerten/geregelten Herunterkühlens bestimmt ist. Der Temperatursensor 38 leitet die Information der Taupunkt- temperatur an die Auswerteeinheit 31 weiter. Ein Prozessor (CPU) der Auswerteeinheit 31 steuert und/oder regelt dabei beispielsweise die Zuführung von Kühlmittel von einer Kühlperipherie 32 zu der Kühleinheit 10. Ferner kann der Prozessor den stufenförmigen Temperaturzyklus 25 steuern und/oder regeln. Eine schnelle aber auch grobe Bestimmung des Taupunktes ist dabei durch große Temperaturintervalle bzw. - stufen beim Herabkühlen möglich. Eine genauere Bestimmung der

Taupunkttemperatur ist demgegenüber durch kleine Temperaturintervalle bzw. Temperaturstufen möglich.

Der Temperatursensor 38 hat die Aufgabe, im Moment der durch den Lichtdetektor 35 detektierten und optisch ermittelten Betauung die Temperatur der Oberfläche des Sensorkopfes 1 zu bestimmen und/oder zu messen. Dieser bestimmte und/oder gemessene Wert der Temperatur entspricht dann der Taupunkttemperatur des auf der Sensoroberfläche kondensierten Stoffes. Die so bestimmte Taupunkttemperatur ist ein wichtiger Messwert und spezifiziert die Betauung. Als Temperatursensor 38 kommt jedes Messsystem in Betracht, das die Oberflächentemperatur anzeigen und ermitteln kann. Ein sinnvoller Temperatursensor 38 ist ein mit der elektronischen Auswertung 31 und der CPU zusammenwirkender und arbeitender elektrotechnischer, auf Halbleiter- oder Widerstandsänderung basierender Temperatursensor 38. Die Anschlüsse eines solchen Temperatursensors 38 müssen gegenüber dem Kondensat und der Luft isoliert sein. Die Qualität der mechanischen und thermischen Anbindung und Kopplung des Temperatursensors 38 an die Betauungssensoroberflache bzw. an die Grenzflächen 3 und/oder 4 ist für die Genauigkeit der Taupunktmessung ausschlaggebend und kann beispielsweise mittels einer Wärmeleitpaste verbessert werden.

Die dritte Ausführungsform der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung ist exemplarisch in den Figuren 3A bis 3E und 9 dargestellt und nutzt den speziellen optischen Effekt aus, der nur bei rundlichen Grenzflächen auftritt. Bei dieser halbrundförmigen Gestalt des Sensorkopfes 1 breitet sich das eingekoppelte Licht bei einer Einstrahlung im Randbereich des Sensorkopfes 1 nicht mehr im ganzen Halbkreis aus, sondern wird nur noch unter flachen Winkeln entlang der

runden optischen Grenzfläche 29 des Sensorkopfes 1 reflektiert .

Der in Fig. 3A dargestellte Sensorkopf 1 besteht aus einem optisch leitenden Material, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), und weist wie die zweite Ausführungsform keine Sensorkopfteilstrukturen auf. Der Eingangslichtwellenleiter 2 und der Ausgangslichtwellenleiter 5 sind im randnahen Bereich des Sensorkopfes 1 angeordnet. über den Eingangslichtwellenleiter 2 wird das Licht somit in einem randnahen Bereich des Sensorkopfes 1 eingekoppelt, so dass der vorstehend angesprochene Effekt vorherrscht und im unbetauten Zustand des Sensorkopfes 1 das eingekoppelte Licht nur in einem schmalen Randabschnitt entlang der Grenzfläche 29 unter flachen Winkeln entlang der runden Grenzfläche 29 reflektiert wird und über den Ausgangslichtwellenleiter 5 ausgekoppelt wird. Bei einsetzender Betauung der Grenzfläche 29 wird das eingekoppelte Licht an der Grenzfläche gebrochen und gelangt aus dem Sensorkopf 16 heraus. Der rechte der beiden in Fig. 9 dargestellten Kondensattropfen 19 ist gegenüber dem linken Kondensattropfen 19 klein, so dass das eingekoppelte Licht nur unwesentlich gebrochen wird und die Lichtintensität des ausgekoppelten Lichts nur geringfügig abnimmt. Demgegenüber bewirkt der größere der beiden Kondensattropfen eine stärkere Lichtbrechung des eingekoppelten Lichts an der optischen Grenzfläche 29, so dass die Intensität des ausgekoppelten Lichts gegenüber dem eingekoppelten Licht stärker abnimmt.

Die Betauungssensorvorrichtung der dritten Ausführungsform weist darüber hinaus zum Herabkühlen des Sensorkopfes 1 die Kühleinheit 10 auf, wobei entstehende Abwärme über den Kühlkörper 11 abgeführt wird. Isolierschichten 12 bedecken

die Seitenflächen und die Grundfläche des Sensorkopfes 1, so dass eine inesstechnisch nicht verwertbare Kondensation an nicht erwünschten Stellen verhindert wird und die Grenzfläche 29 das kälteste nach außen gerichtete Element der Betauungssensorvorrichtung ist. Auch bei dieser Ausführungs- form sollte die Dicke des Sensorkopfes 1 im Wesentlichen dem Durchmesser der verwendeten Eingangs- und Ausgangslichtwellenleiter 2 und 5 entsprechen, so dass sich das in den Sensorkopf 1 eingekoppelte Licht im Wesentlichen nur in eine Richtung divergent ausbreitet.

Um die Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors der dritten Ausführungsform beim Herabkühlen zu verbessern, ist zumindest ein Teil 16 bzw. der Kern 16 des Sensorkopfes 1, in dem sich das eingekoppelte Licht nicht ausbreitet und der aus dem thermisch trägen PMMA-Material besteht, entfernt worden, wie in Fig. 3C gezeigt ist. Der Kern 16 des Sensorkopfes 1 wird durch ein thermisch gut leitfähiges Material, wie beispielsweise Aluminium, ersetzt, wohingegen der verbliebene Randbereich des Sensorkopfes 1 aus dem optisch gut leitenden Material (PMMA) besteht, wie in Fig. 3D dargestellt ist. Dieser Aufbau des Sensorkopfes 1 aus optisch und thermisch leitenden Materialien oder Strukturen bezeichnet ebenfalls einen mischstrukturierten Sensorkopf 1. Wird nun Licht über den Eingangslichtwellenleiter 2 in die optische Randstruktur des Sensorkopfes 1, d.h. in einen randnahen Bereich in Nähe der optischen Grenzfläche 29, eingekoppelt, so wird dieses Licht entlang der optischen Grenzfläche 29 der Randstruktur reflektiert und gelangt über den Ausgangslichtwellenleiter 5 zu der optoelektronischen Auswerteeinheit 31, die in den Figuren 5A und 5B dargestellt ist. Somit breitet sich das in den Sensorkopf 1 eingekoppelte Licht nur in einem optisch leitenden, randnahen Bereich zwischen der äußeren optischen

Grenzfläche 29 und einer inneren optischen Reflexionsfläche 33 aus. Der Kern 16 des Sensorkopfs 1 kann über die Kühleinheit 10, beispielsweise durch ein Peltierelement, gezielt temperiert werden, so dass auf der Grenzfläche 29 die entsprechende Taupunkttemperatur erreicht werden kann. Die Isolierschichten 12 verhindern eine Kondensatbildung außerhalb der Grenzfläche 29, wobei kühlungsbedingte Abwärme beispielsweise über den Kühlkörper 11 abgeführt wird.

Anstatt den Kern 16 des Sensorkopfes 16 durch ein thermisch gut leitendes Material zu ersetzen ist es auch denkbar, stattdessen einen halbrundförmigen Grundkörper aus einem thermisch gut leitenden Material anzufertigen und diesen mit einer dünnen Folie oder einer transparenten Lackschicht als Grenzfläche 29, wie in Fig. 3E dargestellt, zu versehen. In der Folie oder dem Folienbereich sowie der transparenten Lackschicht kann sich das eingekoppelte Licht entsprechend den vorstehenden Ausführungen ausbreiten. Die Vorteile dieser alternativen Ausgestaltung der dritten Ausführungsform sind, dass die erzeugte Kälte beim Herabkühlen nur durch den dünnen Folienbereich oder durch die dünne Lackschicht hindurch entweichen kann, die den kältesten Bereich im Messfeld bildet. Durch die Verwendung einer Folie oder einer transparenten Lackschicht ist somit eine reflexionsfähige Oberflächenstruktur bereits gegeben. Diese optisch leitende Oberflächenstruktur bzw. deren Dicke ist hierbei soweit vermindert oder reduziert, dass die Reflexion des in den Sensorkopf eingekoppelten Lichts zwischen der äußeren optischen Grenzfläche 29 und der inneren optischen Reflexionsfläche 33 erfolgt. Ferner weist diese Ausführungsform eine einfache und kostengünstige Bauweise auf. Ebenfalls ist der Betauungssensor der dritten

Ausführungsform leicht zu säubern und in Hochdruckbereichen einsetzbar.

Das für die erste und zweite Ausführungsform beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes kann selbstverständlich auch bei der dritten Ausführungsform angewandt werden, weshalb auf die vorstehenden Ausführungen zum Verfahren verwiesen wird. Der dabei verwendete Temperatursensor 38 entspricht dem bei der ersten und zweiten Ausführungsform verwendeten Temperatursensor 38, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen ebenfalls verwiesen wird.

Die von dem Lichtdetektor 35 der optoelektronischen Auswertung 31 durchgeführte Auswertung der Messsignale, die mittels einer der drei vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung ermittelt werden, beruht auf der Differenzmessung der Lichtintensität von in den Sensorkopf ein- und ausgekoppeltem Licht zwischen betautem und unbetautem Zustand. Der Lichtdetektor 35 misst die Lichtintensität und detektiert bei Abnahme der Lichtintensität eine Betauung, wobei im Moment der detektierten Betauung die Taupunkttemperatur von dem Temperatursensor 38 erfasst wird. Durch die aktive Kühlung des Sensorkopfes 1 oder seiner Sensorkopfteilstrukturen 1.1 bis l.n sind definierte Betriebszustände einstellbar, die ein Nachkalibrieren des Sensors und ein Herausrechnen von Verschmutzungen oder anderen Einflüssen ermöglichen.

Ebenfalls können bei allen drei vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen mittels eines zusätzlichen Temperatursensors 37, der wie in den Figuren 5A und 5B dargestellt im Messmedium angeordnet ist, aufgrund der Kenntnis von Temperatur und Taupunktemperatur weitere wettertechnische

Werte mit Hilfe der optoelektronischen Auswertung 31 berechnet werden. Beispielhaft zu nennen wären relative und absolute Feuchtigkeit, Wasserdampfpartialdruck, Sättigungsdampfdruck.

Durch die Erfindung werden die thermische Leitfähigkeit des optischen Sensorkopfes und das änderungsverhalten unter Beibehaltung der optischen Funktionsfähigkeit zur Detektion einer einsetzenden Betauung mittels eines speziell strukturierten Aufbaus von optischen und thermisch leitenden Elementen verbessert. Mittels des Kühlsystems 10, 11 in Form des Peltierelements und des an die Grenzfläche 3, 4 oder 29 gekoppelten Temperatursensors 38 ist eine genaue Bestimmung des Taupunktes möglich. Aber auch ohne das beschriebene Kühlsystem 10, 11 wird der erfindungsgemäße Sensorkopf 1 aufgrund seines strukturierten Aufbaus aus thermisch gut leitenden Strukturen und optisch leitenden Strukturen im Vergleich zu einem passiven faseroptischen Betauungssensor weniger thermisch trag sein, weil der Sensorkopf mittels der thermisch gut leitenden Strukturen „schneller" die Temperatur des Messmediums annimmt, als ohne diese thermisch gut leitenden Strukturen. Darüber hinaus können mit Hilfe der controllergesteuerten elektrischen bzw. optoelektronischen Auswerteeinheit 31 weitere wettertechnische Daten, wie zum Beispiel die relative und die absolute Luftfeuchtigkeit, der Wasserdampfpartialdruck sowie der Sättigungsdampfdruck, berechnet werden. Die besonderen Eigenschaften der aktiven faseroptischen Betauungssensorvorrichtung als Messsystem sind die einfache und robuste Bauweise, so dass keinerlei Justierung bei Herstellung und Betrieb notwendig ist. Die preiswert herzustellende aktive faseroptische Betauungssensorvorrichtung mit Messsystem ist somit langzeitstabil und

aufgrund ihres optischen Messprinzips gegenüber Störungen relativ unanfällig.

Mit Licht wird der Eingangslichtwellenleiter 2 durch von der Lichtquelle 30 ausgestrahltem Licht oder ausgestrahlter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von für den Menschen sichtbarer elektromagnetischer Strahlung, gespeist.