在保护管中安装光纤传感器的方法和光纤传感器

摘要

本发明涉及一种在保护管(1，30，41)中安装光纤传感器(2，32，42)的方法，其中能变形的填料(4，31，43)基本上与光纤传感器(2，32，42)轴平行地引入到保护管(1，30，41)中。通过填料(4，31，43)的变形缩小了保护管(1，30，41)中的用于支撑光纤传感器(2，32，42)的剩余的自由的横截面，使得传感器压向保护管壁。借此改进了在保护管(1，30，41)和传感器(2，32，42)之间的热传递并且减小了在温度检测时的反应时间。优选地使用由弹簧钢制造的线材作为填料(4，31，43)，其在绞合时基本上采用螺旋形的形式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在保护管中安装光纤传感器的方法以及光纤传感器。

背景技术

对于在过程测量技术以及工艺技术中的应用，所谓的多点温度计常常 是令人关注的，其中多个温度测量点沿着一个光纤传感器的同一纤维布置 并且实现了同时测量多个温度。对于几乎任何数量的测量点而言，仅需要 一个具有插头的光纤传感器，在该插头处连接所谓的发送器(Transmitter)， 该发送器用于通过光电信号处理确定各个温度测量值。例如，在过程技术 设备中，这样求出的温度测量值借助于发送器能够转发到上级的控制装置 或者上级的管理系统并用于调节在设备上运行的过程。例如在反应器、管、 釜、油箱处，又或在钻孔、通道、或者堤岸中需要这种方式的温度测量。 例如由DE102004031324A1已知一种光纤传感器，其适用于在过程技术 设备中测量温度。

在具有所谓的布拉格光栅(Bragg-Gitter)的光纤传感器中，为了检测 纤维的不同位置处的温度，通过对玻璃纤维的预期位置处的光学曝光，布 拉格光栅在某种程度上被“煅烧”(eingebrannt)。通过传感器原件与温 度相关地反射了由发送器通过纤维射入的光的波长，每个传感器元件测量 “它的”本地温度。在发送器中精确确定被反射的光的波长，并通过校准 方程回算出所属的温度值。通过每个传感器元件对于另一个基准波长被煅 烧，发送器基本上能够读取任意数量的传感器元件。光纤传感器上的传感 器元件的数量常常在5到30之间。

为了防止机械应力，真正的测量纤维通常嵌入到不锈钢套管中，不锈 钢套管的内直径例如是0.7mm，并且其外直径例如是1.2mm。为了衰减在 安装位置上可能出现的振动，能够将织物保护罩围在不锈钢套管上。为了 简化，接下来将具有不锈钢套管的测量纤维以及具有不锈钢套管和保护罩 的测量纤维统一称为光纤传感器。

在相应的安装位置处，光纤传感器通常安装在固定装配的保护管中， 该保护管位于例如化学反应器处或者化学反应器中。因此，光纤传感器必 须在现场安装在保护管中。用于在保护管中安装光纤传感器的适当方法例 如从EP2202552A1已知。为了安装，光纤传感器通过保护管的一个开 放的端部插入到保护管中并置入到其轴向的目标位置上，使得各个传感器 元件能够在预期的位置上沿着保护管轴检测温度。

然而，对于机械地保护光纤传感器所必需的保护管，在测量能变化的 温度时可能出现问题，因为围绕真正的检测纤维布置的不同的层加大了在 过程中快速识别温度变化的难度。特别地，从过程介质到测量纤维的热量 流通过在保护管内部可能存在的空气路段而减慢，当传感器不抵靠在内壁 处时，该空气路段存在于光纤传感器和保护管内壁之间。因此，由于在保 护管中的装配，能够以不利的方式丧失了光纤传感器在测量温度时的优点、 即其基于传感器的低热容而具有的潜在的快速反应时间。确定，光纤传感 器的反应时间在没有保护管时例如是3s，在将同一传感器安装在直径为 12m的保护管中时能够提高20倍。这证明了在测量精度和动态方面的显 著缺点。

发明内容

本发明的目的在于，找出一种在保护管中安装光纤传感器的新的方法， 利用该方法可靠地获得一种传感器装置，该装置的出色之处在于，在借助 于保护管中的光纤传感器测量温度时有很短的反应时间。本发明的另一个 目的在于，实现一种具有保护管的光纤传感器，其具有改进的测量性能并 且适用于执行该方法。

该目的通过一种在保护管中安装光纤传感器的方法，其中，光纤传感 器穿过保护管的在安装时开放的端部插入到保护管中。其中，在保护管的 轴向区域中，能变形的填料基本上与光纤传感器轴平行地引入到保护管中， 在插入的光纤传感器处的用于温度检测的传感器元件位于轴向区域中，其 中，在光纤传感器和填料于保护管中置入到光纤传感器的和填料的轴向的 目标位置上之后，通过填料的变形，缩小保护管的在轴向区域中用于支撑 光纤传感器的剩余的自由的内横截面，使得光纤传感器通过填料压向保护 管。

根据本发明，在保护管的轴向区域中，能变形的填料引入到保护管中， 在所插入的光纤传感器中的传感器元件位于该轴向区域中以用于检测温 度。能变形在本文中意味着，通过填料的变形，在保护管中剩余的、用于 支撑光纤传感器的自由的内横截面的大小能够发生变化。在自由的内横截 面很大时，光纤传感器在保护管的内部能够没有更大的摩擦或者没有卡住 的危险地被移动。因此，在成型体的这种状态中，光纤传感器能够插入到 保护管中或者为了更换或者执行维修而能够从保护管中简单地取出。由此， 对于随后的使用或者在维修时的更换而言，简化了保护管的安装或拆卸。 相反，在运行其中借助光纤传感其执行温度测量的过程技术设备时，由于 填料形状的改变，如下地缩小了保护管的用于支撑光纤传感器的剩余的自 由的内横截面，使得光纤传感器为了改进的热接触而压向保护管的内壁。 因为测量管的剩余的自由的内横截面能够通过成型体而改变，所以成型体 在装配光纤传感器时就能够已经位于保护管中，与光纤传感器一起插入到 保护管中，或者在光纤传感器置入到其在保护管内部的轴向目标位置上之 后，成型体才嵌入到保护管中。

实现能变形的填料的可行性能够在类似于能充气的软管的球囊导管 可见，如在外科中为了扩展心脏冠状血管而使用的球囊导管。该填料是具 有一个或多个能充气的球囊的更薄的塑料软管，该球囊优选地位于在引入 到保护管中的软管中在光纤传感器的传感元件的位置处。因此在球囊互相 叠合时，在更长时间的运行时，保护管中的自由的内横截面基于压力损失 不继续变大，管状的金属光栅还能够根据支架的类型同球囊一起引入到保 护管中。为了减小保护管的自由的横截面和为了挤压光纤传感器到保护管 的内壁处，通过气囊的充气，挤压金属光栅。为了更换和维修的目的而取 出光纤传感器时，塑料软管和/或金属光栅能够以简单的方式借助于引导线 材从保护管中被拉出。

当填料通过线材实现时，制造耗费以及随着在保护管中安装填料引起 的制造耗费是特别低的。为了减少保护管的剩余的自由的内横截面，线材 在插入光纤传感器之后围绕保护管的纵轴如下地扭转，使得其基于此时在 线材中出现的扭应力保持螺旋形的形状。因此，利用了长线材的机械性能， 即当线材的两个轴向间隔开的位置相对彼此扭转并且在此允许缩短这两 个位置的距离时，通过采取螺旋形状，长线材力图避免提高在线材内的扭 应力。当为了更换或者维修而要从保护管中取出光纤传感器时，必须仅再 次取消线材的绞合，因此，传感器不再通过线材压向保护管的内壁，并因 此能够容易地在保护管中移动。随后，线材再次采取其原始形状并基本上 再次与光纤传感器平行。

在特别有利的实施例中，制造出为了实现填料而使用的线材由弹簧钢 制成。弹簧钢的特征在于大的长时间稳定性突出，并因此确保了基于其弹 力的朝向保护管内壁的对光纤传感器的持续挤压。在此，与相应的使用相 关地能够选择具有高耐热性的弹簧钢，例如因科镍合金(Inconel)X750。 因此保证了，光纤传感器朝向保护管的挤压在传感器装置的寿命上没有减 小。

当光纤传感器实施为具有围绕的钢套管的测量纤维时，特别地，在保 护管内安装传感器所引起的耗费能够通过以下方式明显减少，即用于实现 填料的线材具有比钢套管更小的抗扭刚度，并且线材在一个插入时超前 (voreilenden)于传感器元件的位置处与钢套管固定地连接。通过这种方 式，光纤传感器和填料能够在保护管的外部准备好并且一起插入到保护管 中。

有利地，线材和钢套管的连接部能够借助于滑动体实现，不仅线材、 而且钢套管都利用其相应的端部与滑动体焊接或者熔焊。由此实现了无干 扰的插入，而没有过高的摩擦或者卡住危险。

附图说明

接下来根据示出本发明实施例的附图对本发明以及设计方案和优点 进行详细的说明。

图中示出：

图1示出具有插入的光纤传感器的保护管的剖面图。

图2示出具有作为能变形的填料的绞合钢线的保护管的剖面图。

图3示出具有绞合的线材作为填料的保护管的横截面。

图4示出端部的细节图，并且

图5示出在安装状态下，保护管的另一端部的细节图。

具体实施方式

附图不是比例精准的，应仅仅用于发明的简易理解和清楚解释。

图1和图2示出了在过程技术设备中的用于测量不同位置处的温度的 光纤测量装置的基本结构，例如在化学反应器内部的、其中已经由用户安 装了保护管1的不同位置处。相同的部件设有相同的标号。保护管1例如 具有12mm的内直径。通常通过用户从测量装置制造商处获得的光纤传感 器2插入到保护管1中，该光纤传感器具有布拉格光栅作为传感器元件3a， 3b，3c和3d以测量相应位置处的温度，在该相应位置处应测量在反应器 中的过程介质的温度。钢线4也同光纤传感器2一起插入到保护管1中， 其在图1和图2中以不同状态示出。在插入光纤传感器2和钢线4时和在 刚插入光纤传感器和钢线之后，钢线是非绞合的，并且基本上轴平行于光 纤传感器2。在光纤传感器2和保护管1的内壁之间能够存在气隙，因为 光纤传感器2在保护管1的自由的内横截面内部的位置几乎能够是任意的。 然而，这种类型的气隙是不期望的，因为其起到热隔离的作用并且使光纤 传感器2的温度难以与保护管1的温度快速平衡。因此，由于所存在的气 隙，能够丧失玻璃纤维温度测量技术的优点、即其基于传感器的低热容而 具有的潜在的快速反应时间。

现在，图2示出了在钢线4绞合之后的装配状态。在此，钢线4基本 上采用螺旋形的形状，因此明显减小了保护管1的对于光纤传感器2的支 撑可用的自由的内横截面。在钢线4的线圈与光纤传感器2接触的位置处， 光纤传感器2通过像弹簧一样起作用的钢线4被压向保护管1的内壁。尽 管利用螺旋形的每个线圈仅存在一个挤压点，但整体上在光纤传感器2与 保护管1之间的气隙仍然被最小化，由此产生期望的更快的热传递和更低 的测量延迟。在绞合后，线材4通过夹紧装置5、例如简单的无头螺钉， 固定在保护管1中。光学插头6用于将光纤传感器2接通到附图中未示出 的发送器处。

图3示出了保护管30的横截面，绞合的线材31作为填料与光纤传感 器32一同插入到保护管中。真正的测量纤维33位于不锈钢套管34中， 不锈钢套管又由织物保护罩35环绕。在保护管的远离发送器的端部，线 材31和光纤传感器32固定在滑动体36处。该滑动体用于在安装时简化 插入过程以及用于在绞合线材31时接收转矩。线材31的直径如下地选择， 即其与不锈钢套管34相比具有明显更少的扭转刚度。由此尽可能防止了 在线材31绞合时连带转动了光纤传感器32。不锈钢套管34的直径例如为 1.2mm时，通过选择例如直径为0.5mm的线材31已经足以确保前述情况。 为了在高温下使用，线材31由具有高耐热性的材料构成，例如因科镍合 金(Inconel)X750。因此保证了，光纤传感器32在其全部使用寿命中压 向保护管30的内壁，并且不存在进行热隔离的气隙。如果允许了不锈钢 套管34的鲁棒性，那么此外能够取消织物保护罩35，由此实现在保护管 30和测量纤维33之间热传递的进一步改善。

图4和图5以放大图示出了保护管41的远离发送器的端部或朝向发 送器的端部的实施例。在图4和图5中，相同的部件使用了相同的参考标 号。为了减少在保护管41的内壁和传感器42之间形成气隙的危险，光纤 传感器42通过作为能变形的填料的线材43压向内壁。滑动体44用于减 少在安装或者更换光纤传感器42时的摩擦，以及用于制造在保护管的原 理发送器的端部处的在传感器42和线材43之间的稳定连接。保护管41 的远离发送器的端部通过栓塞45封闭。保护管41的相对置的端部设有栓 塞46，引导光学传感器42和线材43贯穿通过栓塞。夹紧装置47、例如 螺孔中简单的无头螺钉，用于将线材43固定在绞合状态中。在可能的拆 卸前，松开夹紧装置47，取下栓塞46，并且光纤传感器42与松弛的线材 43和滑动体44一同从保护管41中取出。