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 3D-Bilder von Krebszellen im Körper: Medizinphysiker aus Halle stellen neues Verfahren vor
16.05.2018 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Innovatives Verfahren zur umweltschonenden Gülleaufbereitung kommt auf den Markt
03.05.2018 | 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: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics