Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Heiß wie der Ofen, kalt wie der Mars

09.08.2013
Es ist heiß in Deutschland. Wir Menschen haben präzise Sensoren für Temperaturen, daher stimmt unser Körpergefühl sehr gut mit von elektrischen Sensoren vorhergesagten Werten überein. Aber wie genau funktionieren Temperaturmesser an extremen Orten wie beispielsweise in Hochöfen oder auf fremden Planeten?

Ein gewaltiger Sandsturm fegt durch die Wüste, aber es ist nicht heiß, im Gegenteil, es sind -35°C. Gäbe es Wasser, das zu Schnee gefrieren könnte, könnte man auf den riesigen Bergen Wintersport betreiben. Der NASA-Roboter Curiosity setzt unbeirrt seinen Weg fort, um auf dem Mars Spuren von Wasser und Leben zu finden.


Lichtleitfasern aus Saphir eignen sich für Anwendungen im Extrem: der Messung von Temperaturen über 1200°C. IPHT/Döring

Mit an Bord sind Temperatursensoren aus dem Institut für Photonische Technologien Jena e.V. (IPHT). Seit der Landung auf dem roten Planeten zeichnen sie zuverlässig die Bodentemperatur auf. Keine leichte Aufgabe bei Temperaturunterschieden von 150°C und ohne Stromzufuhr.

„Unsere Sensoren musste schon vor der Reise einiges einstecken, so beispielsweise Vibrationstests mit Beschleunigungen von bis zu 8 g. Trotz der außergewöhnlichen mechanischen und thermischen Belastungen müssen die Sensoren eine hohe Sensitivität aufweisen“, beschreibt Dr. Ernst Keßler, Projektleiter am IPHT, die Leistungsfähigkeit der Sensoren. Sie basieren auf dem thermoelektrischen Prinzip und besitzen 100 in Reihe geschaltete Thermopaare.

Diese bestehen aus zwei thermoelektrischen Materialien, die in der Empfängerfläche sowie auf dem Chiprahmen alternierend miteinander verbunden sind. Zwischen der Empfängerfläche und dem Chiprahmen, die thermisch gut voneinander isoliert sind, bildet sich deshalb bei Bestrahlung ein Temperaturunterschied aus, der über den thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) in eine elektrische Spannung gewandelt wird.

Die hohe Empfindlichkeit erreichen die IPHT-Sensoren durch den Einsatz einer besonderen Materialkombination. Die Verwendung der thermoelektrisch hocheffektiven Kombination von V/VI-Verbindungshalbleitern auf Basis von Bismut und Antimon ist ein weltweites Alleinstellungsmerkmal der im Reinraum des Jenaer Institutes gefertigten Thermosäulen-Sensoren. Weitere Vorteile von thermoelektrischen Strahlungssensoren sind ihre Linearität, sowie ihre Energieeffizienz. Da das elektrische Signal allein durch die Temperaturdifferenz erzeugt wird, muss der Sensor nicht auf die wertvolle Energie der Atombatterie von Curiosity zurückgreifen.

Unempfindliche Temperatursensoren für Hochöfen

Nicht nur im Forschungsbereich Photonische Detektion sondern auch auf dem Gebiet der Faseroptik erforscht das IPHT seit vielen Jahren Systeme zur Temperaturmessung unter extremen Bedingungen. Lichtleitfasern aus Saphir eignen sich für Anwendungen im anderen Extrem: der Messung von Temperaturen über 1200°C.

In industriellen Hochöfen wird aus Eisenerz flüssiges Roheisen geschmolzen. Für diesen komplizierten Prozess ist die Einhaltung von unterschiedlich heißen Temperaturzonen in den 30 bis 50 Meter hohen Schachtöfen essentiell. In vielen Fällen werden zur Temperaturerfassung dort noch Thermoelemente eingesetzt. Diese müssen aber aufgrund der extremen Beanspruchungen im Hochofen preisintensiv in kurzen Intervallen ausgewechselt werden. Eine andere Art von Thermosensoren sind Pyrometer. Ihre Messung basiert darauf, dass jeder Gegenstand über dem absoluten Nullpunkt Wärmestrahlung aussendet, deren Intensität von seiner Temperatur abhängt. Wenn das Messobjekt wärmer als das Pyrometer ist, ist der Strahlungsfluss positiv, d.h. das Messobjekt gibt Wärmestrahlung an das Pyrometer ab. Pyrometer können die Temperatur allerdings nur an Oberflächen messen, also an den Ofenwänden oder der Schmelze selbst, aber nicht im Rest des großen Ofenvolumens.

Das IPHT hat erfolgreich Tests in Öfen mit einem alternativen faserbasierten Verfahren absolviert, das diese Nachteile nicht hat. Das Sensorkonzept nutzt die von Temperaturschwankungen hervorgerufenen Veränderungen der optischen Eigenschaften einer Saphir-Lichtleitfaser. „Saphire kennen viele nur als fragile Edelsteine, aber tatsächlich ist das Material sehr robust“, sagt Dr. Tobias Habisreuther, aus der Forschergruppe Fasersensorik, der die Tests durchgeführt hat. Saphir ist säureunlöslich und schmilzt erst bei einer Temperatur von 2040 °C. Als einziger Gruppe weltweit gelingt es am IPHT die Faser Bragg Gitter genannten Strukturen in Saphirfasern hineinzuschreiben. Durch die Temperatur im Ofen ändert sich einerseits die Brechzahl der Faser und durch die Ausdehnung andererseits der Abstand der Gitterebenen. Durch beide Effekte wird das durch die Faser laufende Lichtbündel mit anderen Wellenlägen reflektiert, was in einem angeschlossenen Spektrometer gemessen wird. „Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend und wir werden sie demnächst in Langzeitstudien auf ihre Stabilität überprüfen“, so Habisreuther abschließend.

Ansprechpartner:
Dr. Tobias Habisreuther
Arbeitsgruppe​ Optische Fasertechnologie
Telefon +49 (0) 3641 · 206-226
Telefax +49 (0) 3641 · 206-399
juergen.popp@ipht-jena.de

Dr. Andreas Wolff | IPHT Jena
Weitere Informationen:
http://www.ipht-jena.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Granulare Materie blitzschnell im Bild
21.09.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Sprühtrocknung: Wirkstoffe passgenau verkapseln
01.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie