Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

Optické vláknové snímače teploty

Ludvík Bejček
 
Optické vláknové snímače teploty představují samostatnou skupinu, která stále na­bývá na významu. V příspěvku jsou uvedeny základní principy a možnosti použití op­tických vláknových snímačů teploty i výsledky experimentálních prací vykonávaných v ústavu automatizace a měřicí techniky na VUT v Brně a v Ústavu přístrojové techni­ky AV ČR v Brně.
 

1. Úvod

 
Optické vláknové snímače (OVS) pat­ří do třetí generace snímačů, jejichž vznik spadá – současně s prvními v praxi použitelnými optickými vlákny – zhruba do kon­ce šedesátých a začátku sedmdesátých let minulého století. Jejich nástup byl velmi ra­zantní, nicméně od té doby zájem o ně po­klesl, ale pak nastala jejich renesance. Ač­koliv neexistuje fyzikální veličina, kterou by nebylo možné těmito snímači měřit, ne­rozšířily se tak, jak se z počátku předpoklá­dalo. Hlavními příčinami jsou ekonomická stránka a také určitý konzervatismus uživa­telů měřicí a regulační techniky (průmyslové elektroniky). Avšak podíl optických vlákno­vých snímačů v automatizační technice stále roste. V některých úlohách jsou totiž neza­stupitelné (např. u hydrofonů a gyroskopů), protože i nejlepší „klasické“ (metalické) sní­mače nedosahují tak vynikajících parametrů.
 
Tento náskok optických vláknových sníma­čů je dán dvěma faktory:
  • odlišný fyzikální charakter nosičů infor­mací – měřené veličiny (elektrony, díry nebo ionty u „klasických“ snímačů, foto­ny u OVS),
  • výrazně rozdílná vlnová délka (rozdílný rozsah interakce vlnové délky optického záření s měřenou veličinou).
Důsledkem těchto odlišností je zejména velká citlivost, odolnost proti vnějšímu ruše­ní (včetně optického záření), velký izolační odpor („galvanické“ oddělení), jiskrová bez­pečnost (do 7 mW), rychlá odezva a velká šířka frekvenčního pásma, malá energetická náročnost, velká pevnost v tahu, mechanická pružnost a velký dynamický rozsah, odolnost proti působení agresivního prostředí, použi­telnost v obtížně přístupných místech (bez přímé viditelnosti), technologická a obvodo­vá kompatibilita, lepší utajitelnost a malé roz­měry (mikromechanické systémy).
 
V blokovém schématu na obr. 1 jsou uve­deny základní části optického měřicího ka­nálu: zdroj záření, optický vláknový snímač a snímač záření, které jsou propojeny op­tickým vláknem (kabelem). Další pomoc­né obvody, jako jsou např. napájecí zdroje, indikační, vyhodnocovací a řídicí jednot­ky, nejsou v tomto zjednodušeném poje­tí zobrazeny.
 
Zdrojem optického záření je nejčastěji lu­miniscenční dioda (nekoherentní zdroj) nebo laserová dioda (koherentní zdroj). Zdroj zá­ření je charakterizován zejména vlnovou dél­kou l, šířkou pásma Dl, optickým výko­nem, stabilitou a druhem provozu (kontinu­ální nebo pulzní). Snímačem optického záření je obvykle fotodioda, dioda PIN nebo lavino­vá dioda (podle požadované citlivosti, odstu­pu signál-šum, zisku a způsobu dalšího zpra­cování signálu).
 
Typ optického vláknového snímače se volí s ohledem na druh měřené veličiny x, způsob modulace, metodu měření a požadované para­metry (požadavky na měření). Optické vlákno nebo kabel mohou být v závislosti na měřené veličině x a konkrétních požadavcích teleko­munikačního typu (SI nebo gradientní mno­havidové, jednomódové, polarizační) nebo speciální (pro senzorové účely – panda, mo­týlek, eliptické, se speciálními dotanty, s ka­palným jádrem nebo dvoujádrové). Velikost útlumu nebývá podstatná.
 
Měřená fyzikální veličina x vyvolává v op­tickém vláknovém snímači změny prostřed­nictvím:
  • indexu lomu optického vlákna (n),
  • absorpce (a),
  • emise, resp. fluorescence (e).
Změny je možné obecně vyjádřit optic­kými tenzory (elipsoid indexu lomu n [2]). K měření se používají optické vláknové snímače s modulací amplitudovou (intenzitní), fázovou, polarizační a modulací vlnové délky.
 

2. Optické vláknové snímače teploty

 
Optické vláknové snímače teploty jsou vý­hodné zejména pro provozní měření. K jejich nevýhodám patří větší požadavky na výrobu, obvykle i vyšší pořizovací náklady, složitěj­ší zpracování a vyhodnocování. I přes uvede­né nevýhody je lze považovat za perspektiv­ní. Optické vláknové snímače lze dělit opět podle různých kritérií: podle způsobu modu­lace, reakce na měřenou teplotu, podle kon­strukce snímače, jeho zapojení atd.
 
Z konstrukčního hlediska se rozlišují OVS vlastní (teplota ovlivňuje přímo vlastnosti op­tického vlákna) a nevlastní (optické vlákno pouze plní funkci transportního prostředí), dále bodové, rozprostřené, přenosové (jestli­že lze rozlišit vstupní a výstupní optické vlák­no), průchozí (transmisní) a reflexní. Podle zapojení jsou rozdělovány na pasivní (svě­telná energie zabezpečuje jak měření teploty, tak i přenos informace o její velikosti) a elek­tricky napájené (světelná energie se přemě­ňuje na elektrickou energii napájející snímač a zpět se mění na světelnou energii nesoucí informaci o měřené teplotě).
 
Teplota působící na optické vlákno vyvo­lává změny jeho optických vlastností. Nejčas­těji jsou optické vláknové snímače založeny na generátorovém principu (v bodovém nebo rozprostřeném provedení), na spektrálně zá­vislé absorpci (emisi) a fluorescenci, dilata­ci, doznívání fluorescence v čase, na závislos­ti indexu lomu, dvojlomu a rozptylu záření, popř. na dalších principech.
 

2.1 Generátorový snímač

 

2.1.1 Bodové provedení

Syntetický monokrystalický safír funguje jako černé těleso, které je v kontaktu s mé­diem jehož teplota se měří. Zářivá energie černého tělesa závislá na měřené teplotě je přenášena přes optické filtry na fotodetektor. Přenos probíhá buď přímo optickým vláknem, nebo častěji oddělovacím safírovým vláknem (obr. 2). Výstupní elektrický signál je úměr­ný měřené teplotě.
 
Tímto snímačem lze měřit teplotu v roz­sahu 500 až 2 000 °C a dosáhnout citlivos­ti v řádu 10–3 K (při teplotě 1 000 °C). Snímače jsou dlouhodobě stabilní (10–6/h), odo­lávají prudkým změnám teploty, korozi atd. Přesnost je podstatně lepší než u termočlán­ků (v Kanadě je používán v metrologii jako standard). Technologický proces výroby sní­mače je náročný.
 

2.1.2 Rozprostřené provedení

Tyto snímače používají mnohavidová op­tická vlákna s útlumem 100 až 1 000 dB/km. Zahřátím optického vlákna na teplotu v roz­sahu asi 100 až 1 000 °C vzniká v jeho jádře infračervené záření. Část zářivého toku je de­tekována na koncích vlákna. Ze vztahů rov­nosti koeficientů vyzařování a pohlcování zá­ření je možné určit optimální hodnotu útlumu αm, při které je zářivý tok na konci optického vlákna maximální.
 
Měřený signál úměrně roste s plochou průřezu optického vlákna. Teplota se vyja­dřuje z vyzařovacího zákona pro černé těleso. Pro lokalizaci ohřátého místa se srovná­vá velikost signálů na obou koncích optické­ho vlákna. Jako detektory záření se používají křemíkové nebo germaniové fotodiody. Takto lze měřit teplotu v rozsahu 130 až 1 100 °C. U optických vláken s útlumem 1 000 dB/km lze měřit teplotu již od 30 °C. Výhodou těchto snímačů je, že nepotřebují zdroj záření. Používají se zejména ke sledování teplotního režimu silnoproudých strojů (vyhledávání tzv. horkých kritických míst) apod.
 

2.2 Spektrálně závislá absorpce

 
Absorpce i emise někte­rých látek závisejí na vlno­vé délce dopadajícího záření. To je využíváno k měření po­mocí polovodičů nebo optic­kých skel, u nichž vlivem tep­loty nastává posuv absorpčního pásu (hrany, kde se výrazně změní absorpce) k větším vlnovým délkám (přibližně 10–2 až 10–1 nm/K v rozsahu –100 až +550 °C s přesností řádově 10–1 až 100 K). Princip je znázorněn na obr. 3 a obr. 4τ a poměru optických toků Φ na vlnové délce λ při působe­ní teploty ϑ. , kde je závis­lost propustnosti (transmise, tj. převrácené hodnotě absorpce)
 
Vedle polovodičů jsou k mě­ření teploty absorpční metodou vhodné různé druhy skla, která neobsahují kyslík, především sklovité chalkogenidy arzenu. Jejich krátkovlnná absorpční hrana se mění s teplotou. Je­jich nevýhodou je však nižší teplota tavení.
 
Základním typem snímače absorpčního teploměru je souosý snímač s polovodičem umístěným mezi konce vstupního a výstup­ního vlákna. Pro jeho správnou funkci je nezbytné dodržení souososti obou vláken a správné opracování jejich konců, které musí být v těsném kontaktu s polovodičovým ma­teriálem (destičkou). Problém souosého uspo­řádání vláken a nevhodné geometrie sníma­če odstraňují typy snímačů s paralelními op­tickými vlákny nebo svírajícími ostrý úhel (obr. 5). Pro optimalizaci vlastností všech typů snímačů je důležitý výběr materiálu, tloušťka a úprava povrchu. U reflexního sní­mače je nutné použít (anti-)reflexní vrstvy.
 
Již uvedené i další typy reflexních optic­kých vláknových snímačů teploty byly ově­řovány v ÚAMT FEKT VUT v Brně. Nej­lepších výsledků bylo dosaženo u souosého (axiálního) typu, který však není příliš vhod­ný pro technické použití. Proto byly zkouše­ny modifikované konstrukce reflexních ab­sorpčních snímačů teploty. Základní uspořá­dání optického vláknového snímače teploty reflexního typu se dvěma optickými vlákny je na obr. 5.
 
Měřená teplota ϑ působí na polovodičo­vou destičku o tloušťce l, která má na zadní straně reflexní vrstvu a na čelní straně vrstvu antireflexní. Optické vlákno přivádí na des­tičku záření o intenzitě I0 (světelném toku Φ0), které dopadá a prochází polovodičovou destičkou a po odrazu od reflexní vrstvy se vrací zpět polovodičovým materiálem. Tím dochází ke dvěma teplotně závislým absorp­cím. Z polovodičové destičky vychází záření s intenzitou I (světelný tok Φ), které vstupuje do optického vlákna, jež je přivádí na detek­tor. Obě optická vlákna jsou vzdálena od po­lovodičové destičky o hodnotu d, rovnou při­bližně dvojnásobku vnějšího průměru vláken. Osy optických vláken svírají úhel 2α1, jehož velikost leží v intervalu 0 až 40°. Optimální úhel je α1opt ≈ 15°.
 
Byly zkoušeny destičky tloušťky 0,35 až 0,45 mm z polovodičových materiálů Si a GaAs. Poloha absorpční hrany posledně jmenovaného materiálu je z dostupných mate­riálů na nejmenší vlnové délce. Reflexní vrst­va byla ze zlata. Zařízení bylo ověřováno la­boratorně i v plynárenském provozu (měření teploty zemního plynu ve výměníkové stani­ci propan-butanu).
 

2.3 Dilatační snímač teploty

 
U tohoto principu způsobuje měřená tep­lota změnu rozměrů (polohy) reflexní plošky čidla teploty (např. z bimetalu), která je vy­hodnocována pomocí optického vlákna. Op­tický vláknový snímač teploty je zde v pod­statě nahrazen OVS polohy.
 

2.4 Spektrálně závislá fluorescence

 
Snímače používají mnohovidová optic­ká vlákna, na jejichž konci je fluorescenční vrstva (tvoří tzv. senzorovou hlavu). Po ozáření vrstvy obvykle UV zářením vzniká flu­orescenční záření ve viditelné oblasti, které je vedeno na fotodetektor. Způsob zpracování signálu a jeho vyhodnocení se liší u jednotli­vých typů snímačů. Teploměry jsou vhodné k měření v silných elektromagnetických po­lích a v prostředích s vysokým napětím, ob­vykle v rozsahu –50 až + 250 °C s přesností 0,1 K. Vlákno délky 2 až 15 m má na konci fluorescenční vrstvu (např. oxisulfidu gado­linia – europia). Po detekci se k vyhodnocení používá mikroprocesor. Lze použít vyhodno­cování na více vlnových délkách. Na obr. 7 je příklad reakce na dopadající světlo fotoluminiscenčním zářením o určité vlnové délce (R – červené a Y – žluté světlo). Vyhodnocuje se poměr Y/R (obr. 8), jehož závislost na tep­lotě krystalu je výrazně lineárnější. Signál je detekován demultiplexorem vlnových délek a dvěma fotodiodami. Snímač dovoluje mě­řit teplotu v rozsahu 0 až 200 °C s přesnos­tí ±1 K, časová konstanta je asi 5 ms. Může být připojen k optickému vláknu o délce až 500 m. Jde o robustní zařízení přizpůsobe­né obtížným měřicím podmínkám. Na obr. 9 je obvyklé zapojení dvouvlnného optického vláknového snímače teploty.
 

2.5 Doznívání fluorescence

 
Princip měření vychází z předchozího pří­padu. Vyhodnocována je však dynamika (ča­sová konstanta) doznívání světelného impul­zu, která závisí na teplotě (asi 10–1 μs/K). Vlastní čidlo (senzorová hlava) je např. krys­tal lutecia (Lu) s chromem (Cr). Krystal, při­lepený k optickému vláknu typu PCS, je po­kryt antireflexní vrstvou ke zvětšení reflexe a pro lepší využití užitečného fluorescenčního záření. Budicí záření je ke krystalu přiváděno vláknem, popř. svazkem vláken, fluorescenč­ní záření prochází stejným nebo jiným vlák­nem k fotodetektoru.
 
Signál z detektoru je veden zpět k mo­dulaci zdroje, a vzniká tak samooscilují­cí systém. Frekvence jeho oscilací závisí na době dosvitu fluorescence, tedy i na teplo­tě. Doba dosvitu fluorescence se mění mezi (1 až 3)·102 µs v rozsahu teplot 0 až 100 °C (obr. 10). Předností tohoto snímače je nezá­vislost na proměnných ztrátách ve vlákně (ne­pracuje na principu měření intenzity), takže ho lze absolutně cejchovat podle fluorescenč­ních charakteristik materiálu.
 
U dalších principů optických vláknových snímačů teploty je využíván např. rozptyl záření v cholesterickém krystalu (v rozsahu teplot asi 10 až 50 °C s přesností asi 0,02 K) nebo optický dvojlom v některých krysta­lických látkách, které jsou citlivé na teplo­tu a umožňují ji měřit v rozsahu přibližně od 0 do 500 °C s přesnosti řádově 10–1 K.
 
Dále je možné využít teplotní závislost in­dexu lomu látek obklopujících jádro optické­ho vlákna (obvykle pro rozsah 0 až 100 °C, běžné rozlišení 0,5 K).
 
Výsledky měření závisejí kromě čidla teploty také na použité modulaci. Interfe­renční (fázové) metody dávají nejlepší výsledky (u teploty 10 až 30 interferenčních proužků na 1 m optického vlákna). Byla jim dosud věnována největší pozornost, požadavky na technické vybavení a technologic­ké zpracování jsou ale nejvyšší.
 
Intenzitní metody měření jsou naopak nej­jednodušší, ekonomicky i výrobně přijatelné (širší uplatnění v technické praxi), dosažitelné výsledky měření (přesnost a stálost) jsou ale horší (i přesto minimálně srovnatelné s kla­sickými snímači teploty). Polarizační metoda s modulací vlnové délky pro měření teploty leží z tohoto hlediska mezi metodou interfe­renční a intenzitní.
 

2.6 Refraktometrické OVS teploty

 
U refraktometrického čidla teploty se pou­žívá teplotní závislost indexu lomu speciálně vytvořené přechodové části obalu optického vlákna (tzv. modifikovaného úseku) z mate­riálu, který kromě velké a lineární závislosti indexu lomu n3 na teplotě musí splňovat několik dalších požadavků (obr. 10, obr. 11). Patří sem např. časová stálost, netoxicita, dostup­nost (cena) a rovněž i možnost výroby. Nej­více se těmto kritériím blíží glycerin a para­fíny. K nejpoužívanějším patří reflexní typ v přímém (obr. 13) nebo zakřiveném prove­dení (obr. 14).
 
V obou případech jde o vlastní typ OVS. U reflexního čidla je část jádra optického vlákna s indexem lomu n1 zbavena pláště s indexem lomu n2 a takto upravený konec (přechodová část optického vlákna) je umís­těn do ochranného pouzdra vyplněného lát­kou s teplotně závislým indexem lomu n3. Konec optického vlákna nebo vnitřní stěna pouzdra jsou opatřeny reflexní vrstvou. Svě­telný tok Ф1 ze zdroje záření je ovlivňován měřenou teplotou ϑ prostřednictvím teplotně závislého indexu lomu n3 látky (před odra­zem od reflexní plochy a po něm) a vrací se ke snímači záření Ф2. U snímače zakřiveného typu (popř. i přímého s poloměrem zakřive­ní R ∞) na obr. 13 je mechanismus ovliv­ňování (modulace) světelného toku měřenou teplotou ϑ v podstatě stejný, liší se konstrukcí a vlastnostmi, které jsou u přímého typu ob­dobné jako u reflexního snímače na obr. 14. Protože parametry zakřiveného čidla teploty jsou výhodnější (linearita, rozsah a citlivost), používá se častěji.
 
Tyto optické vláknové snímače teploty vykazují dobré parametry, např. při použití gradientního optického vlákna 50/125 mm lze měřit teplotu v rozsahu 40 až 90 °C s re­lativní citlivostí 1,4 %/K pro poloměr zakři­vení R = 0,8 mm. Rozsahu 130 až 220 °C s citlivostí 0,75 %/K se dosahuje při polo­měru R = 0,55 mm. Křemíkovými optický­mi vlákny (PCS 200) lze měřit v rozsahu od –50 do +200 °C pro R = 1,5 mm při re­lativní citlivosti asi 0,3 %/K, rozlišení 0,1 K a nejistotě měření do ±1 K. K jejich nevýhodám ale patří především náročnost výro­by spojená s vytvořením určeného a repro­dukovatelného malého poloměru zakřivení R (obvykle v rozsahu 0,3 až 1 mm), s výběrem vhodné látky s teplotně závislým indexem lomu a konstrukcí snímače. Při volbě látky s teplotně závislým indexem lomu je nutné brát v úvahu nejen jeho absolutní velikost a teplotní součinitel, ale i závislost na teplo­tě (linearitu), fyzikální a chemické vlastnosti (stálost, toxicitu, hydroskopičnost atd.). Aby mohl snímač pracovat v libovolné poloze, je zapotřebí kvalitní utěsnění (hermetizace). Pouzdro navíc značně zvyšuje časovou kon­stantu snímače.
 
Většinu těchto nevýhod lze odstranit velmi jednodu­chým řešením, vycházejícím z vlastností optického vlákna PCS. Nepoužívají se dodateč­ně pracně vytvořené modifiko­vané (přechodné) části s tep­lotně závislým indexem lomu, ale přímo teplotní závislost n2 pláště optického vlákna, tedy jeho funkční vrstvy vytvo­řené při výrobě, popř. včet­ně primární ochrany pro lep­ší mechanické vlastnosti. Tím se také mění optický útlum v optickém vlákně v závislos­ti na vnější teplotě. Ztrátových mechanismů je více.
 
Se vzrůstem teploty ros­te i numerická apertura NA a zmenšuje se index lomu pláště n2. Nabízí se tedy vy­užít tuto parazitní vlastnost pláště optického vlákna k vy­tvoření snímače teploty. Ne­výhodou ovšem je, že ovliv­ňovat vlastnosti čidla teploty (rozsah, linearitu a citlivost) je možné u optického vlák­na pouze omezenou změnou poloměru zakřivení R. Vzor­ky refraktometrických čidel teploty byly vytvořeny pří­mo z mnohovidového stepin­dexového optického vlákna PCS (vlákno KPT 200/380) bez jakýchkoliv úprav (kro­mě zakřivení).
 
Dosažené výsledky pro krátkodobé měře­ní jsou uvedeny na obr. 15. Optický vlákno­vý snímač teploty byl umístěn v Dewarově nádobě od teploty přibližně –80 °C (ve smě­si tuhého CO2 s methylalkoholem) do tep­loty +80 °C. K měření byla použita tři čidla s pevným poloměrem zakřivení R a další tři s možností nastavit poloměr zakřivení v roz­sahu 4 až 35 mm. Před měřením byla čidla podrobena 40 teplotním šokům ochlazením z teploty 25 °C na –195,8 °C (kapalným du­síkem). Smyslem bylo ověřit celkové změny parametrů optických vláken. Na obr. 15 je zá­vislost poměrného napětí U/Umax  na teplotě ϑpro různá zakřivení R. Z průběhu je patrný rozsah použití od –80 do +70°C, průměrná strmost v okolí inflexního bodu (±10 °C) asi 1,3 %/K (pro R = 4 až 20 mm), chyba způ­sobená nelinearitou ≤±1 % v rozsahu –15 až +35 °C (R = 4 mm).
 
Změna poloměru R o 1 mm odpovídá střední hodnotě změny výstupního napětí U0 10 mV (pro R = 4 až 10 mm), což rozšiřuje použití tohoto typu čidla i pro jiná měře­ní, např. polohy.
 
Čidla byla dlouhodobě měřena ve čtyřech etapách (v ÚPT ČSAV Brno). V první probí­halo cyklování z teploty 30 na 50 °C po dobu asi 230 h (s dobou ustálení na dané teplotě přibližně 4 h), ve druhé po stejnou dobu cyk­lování z teploty 20 na 80 °C (s dobou ustále­ní třikrát delší), ve třetí byla ověřována pře­devším stabilita čidla při 25 a 45 °C po dobu 230 h (v různých pracovních režimech) [8].
 
Na obr. 16 je teplota OVS (teplota v sou­pravě trojného bodu vody), na obr. 17 foto­grafie měřeného optického vláknového sní­mače teploty.
 
Podle pracovního režimu zdroje a sní­mače záření je citlivost čidla v rozsahu řádově (10–2 až 100) mV/K, nelinearita ±(10–1 až 100) %, hystereze do ±1 %. Jsou srovnatelné se současnými typy refraktome­trických optických vláknových snímačů teploty (tab. 1), u kterých jsou však zapotřebí náročné úpravy při výrobě (odstranění pláš­tě a vytvoření zakřivení za tepla). Nevýhodou zůstává pouze užší rozsah měřené teplo­ty, vyplývající z omezeného poloměru zakři­vení (R ≥ 4 mm). Citlivost přímého optického vláknového snímače teploty (R ∞) na tep­lotu je přibližně 50krát menší než u čidla se zakřivením.
 
Popsané optické vláknové snímače teplo­ty je vhodné pro jejich vlastnosti, nenároč­nou (levnou) konstrukci a výrobou zvolit ne­jen pro přímé měření teploty, ale i jako sou­část sdružených optoelektronických snímačů teploty, používaných při měření ostatních fy­zikálních veličin závislých na teplotě (např. koncentrace roztoků, pH, tlaku atd.). Je mož­né jej použít i jako snímač polohy, resp. všech fyzikálních veličin, které lze převést na změ­nu polohy (posun), např. deformace, taho­vé a tlakové síly atd. Snímač s tímto čidlem (obr. 18) byl ověřován ve spolupráci s firmou JMP Brno [3]. Na obr. 18 je fotografie sníma­če teploty pro toto použití.
 

2.7 Rozložené optické vláknové snímače teploty

 

Vzhledem k výhodným vlastnostem op­tických vláken (především malému tlume­ní a odolnosti proti rušivým vlivům okolí) je možné snímat různé veličiny i na velké vzdá­lenosti (řádově kilometry – např. monitoro­vání teplot v tunelech atd.). Byly zkonstruo­vány optické vláknové snímače schopné mě­řit rozložení různých veličin podél optického vlákna – rozložené (distribuované) OVS, které využívají reflektometrické, ale i další metody měření zpětného rozptylu světla v optických vláknech. Podrobnosti o jejich provedení pře­kračují rozsah tohoto článku.

3. Shrnutí

 
Způsobů měření teploty optickými vlák­novými snímači dnes existuje již velké množ­ství. Protože jde o perspektivní typ snímačů (galvanické oddělení, jiskrová bezpečnost, velká citlivost, zanedbatelný vliv rušivých elektromagnetických polí, malá hmotnost atd.), jsou hledány stále nové principy a kon­strukce a jsou vylepšovány ty dosavadní.
 
Pracovníci ústavu automatizace a měřicí techniky VUT v Brně se zabývali optickými vláknovými snímači teploty vlastní konstruk­ce na principu teplotní závislosti absorpční hrany polovodiče a na dilatačním a refrak­tometrickém principu. Principy, stejně tak i intenzitní (amplitudová) metoda měření, byly zvoleny na základě vybavení a mož­ností pracoviště.
 
Dilatační optický vláknový snímač tep­loty je výhodný zejména pro svou jednodu­chost, robustnost a principiálně stejný způsob měření jako u snímače polohy (tlaku). K nevýhodám patří velký vlastní útlum čidla (jde o reflexní nevlastní typ OVS), omezený výběr vhodných dilatačních prvků (rozsahu měření) a některé další, zejména konstrukč­ní problémy (např. rozměry).
 
Co se týče snímače teploty využívajícího teplotně závislou polohu absorpční hrany, je v praxi dosahováno dobrých výsledků. Hlav­ními nevýhodami snímače jsou především ná­ročnost výroby (přesná geometrie a nastave­ní konců optického vlákna, nutná antireflex­ní vrstva atd.) a velký vlastní útlum. Jde také o nevlastní snímače využívající reflexi.
 
Refraktometrické OVS teploty nemají ne­výhodu velkého vlastního útlumu a jejich vý­roba je méně pracná oproti předchozímu typu (přesto některé technologické problémy při jeho zhotovování zůstávají). Konstrukce po­psaná v předkládaném článku využívá vý­hody tohoto typu snímače teploty a odstra­ňuje jeho nevýhody (náročnou technologii výroby) za cenu snížení citlivosti a zmen­šení rozsahu měření. Optický vláknový sní­mač teploty uvedené varianty se díky svým parametrům a především velmi jednoduché, a tím také levné konstrukci uplatní zejména v technické praxi.
 

4. Perspektivy optických vláknových snímačů

 
Přestože počet sériově vyráběných typů optických vláknových snímačů teploty je do­sud malý ve srovnání s klasickými metalický­mi snímači, je zřejmé, že jejich množství stále roste. Perspektivní se jeví speciální a planár­ní optická vlákna (POV), která se nejčas­těji vyrábějí nanášením vlnovodné dielektrické vrstvy s indexem lomu nf na substrát s indexem lomu ns. Vrstva může být kryta materiálem o inde­xu lomu np. Přitom pla­tí nf > ns > np. Planární optická vlákna jsou kon­struována tak, aby byla kompatibilní s optickými vlákny jiných typů, a tvo­ří základ samostatné čás­ti optoelektroniky – inte­grované optiky.
 

Optické vláknové sní­mače se používají stále více. Jak rychle se rozší­ří, závisí na úrovni tech­nologie jejich výroby. Po­dobně jako u jiných op­tických komponent (např. u optických záznamových materiálů) bude po zvlád­nutí jejich výroby mož­né plně využít vynikající vlastnosti, které s sebou nese základní charakteris­tika optických signálů – vlnová délka.

5. Závěr


Experimenty prokázaly, že i v omezených podmínkách školy lze vyrobit optický vláknový snímač. Zůstávají sice k dořešení některé otázky konstrukce snímače, zejména technologické aspekty. Například u měřiče teploty je nutné provést teplotní kompenzaci jak zdroje, tak i detektoru záření, popř. i optického vlákna (je-li delší). Za těchto podmínek může teploměr s optickým vláknovým snímačem teploty pracovat uspokojivě do vzdálenosti řádově 101 m mezi snímačem a vyhodnocovacím zařízením. Pro větší vzdálenosti (do 1 000 m) lze s výhodou použít moduly číslicových optických spojů. Způsob úpravy signálu za optickým snímačem (fotodetektorem) závisí na koncepci vyhodnocování a způsobu indikace měřené teploty. Použití dvou vlnových délek, tj. měřicího a referenčního kanálu s λrefλměř, řeší i některé nevýhody popsaných metod. Hlavními nositeli rozvoje optických vláknových snímačů jsou a budou pracoviště zaměřená na technologii jejich výroby. Ačkoliv odborníci stále pracují na nových principech těchto snímačů a na zlepšování parametrů těch dosavadních, těžiště výzkumu bude především v oblasti mikrotechnologií.

Práce vznikla při řešení výzkumného záměru Inteligentní systémy v automatizaci podporovaného MŠMT ČR pod registračním číslem MSM 0021630529.

Literatura:
[1] TURÁŇ, J. – PETRÍK, S.: Optické vláknové senzory. ALFA, Bratislava, 1990.
[2] ARMER, A. L.: Optické vláknové senzory. ČČF, 1986, 36, A, č. 11.
[3] BEJČEK, L. – ZEHNULA, K.: Výzkum a vývoj optoelektronických metod měření provozních veličin v plynárenství. Výzkumná zpráva, VUT Brno, FE, KAMT, 1989.
[4] KAJANTO, I. – FRIEBERG, A. T: A silicon-based fibre-optic temperature sensor. J. Phys. E: Sci. Instrum, 1988, 21, 7, p. 653.
[5] HOFF, F.: Přesné vláknové senzory pro vysoké teploty. Elektrotechnický obzor, 1987, 76,č. 4.
[6] HOLUB, V.: Vliv ohybu optického vlákna na změnu numerické apertury a jeho využití pro amplitudové optické sensory. Jemná mechanika a optika, 1988, 33, č. 9.
[7] BEJČEK, L.: Optické vláknové snímače. Skripta VUT FEKT ÚAMT Brno, 2009.
[8] BEJČEK, L. – LÝČKA, M. – STRNAD, P.: Refraktometrické čidlo teploty. Slaboproudý obzor, 1990 (připraveno do tisku, časopis zrušen).
[9] RIGHINI, G.C. – TAJANI, A. – CUTULO, A.: An intruduction to optoelektronic sensors. World Scientific, 2009, ISBN-10 981-283-412-5.

doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.,
ústav automatizace a měřicí techniky, FEKT, VUT v Brně,
(bejcek@feec.vutbr.cz)


Obr. 1. Základní blokové schéma optického měřicího kanálu (řetězce)
Obr. 2. Principiální uspořádání generátorového bodového optického vláknového snímače teploty
Obr. 3. Závislost propustnosti τ na vlnové délce pro dvě různé teploty ϑ
Obr. 4 . Princip zapojení optického vláknového snímače teploty s proměnnou absorpční hranou
Obr. 5. Základní uspořádání reflexního snímače teploty
Obr. 6. Závislost poměrného napětí detektoru na teplotě
Obr. 7. Princip fluorescenčního optického vláknového snímače teploty: a – řešení, b – vstupní a výstupní spektra
Obr. 8. Závislost poměrného výstupního signálu podle vlnových délek (Y, R) a jejich podílu na teplotě
Obr. 9. Senzor teploty s využitím teplotních změn fluorescence
Obr. 10. Časová závislost fluorescence na teplotě
Obr. 11. Refraktometrický optický vláknový snímač s modifikovaným úsekem pláště s indexem lomu n2
Obr. 12. Teplotní závislosti indexů lomů jádra n1, pláště n2 a modifikovaného úseku n3 optického vláknového snímače teploty
Obr. 13. Princip refraktometrického snímače teploty zakřiveného typu (typ U)
Obr. 14. Princip refraktometrického snímače teploty zakřiveného typu (typ U)
Obr. 15. Závislost poloměru napětí U/Umax na teplotě čidla
Obr. 16. Závislost teploty čidla umístěného v soupravě trojného bodu vody na čase
Obr. 17. Fotografie funkčního vzorku optického vláknového sní¬mače teploty s pevně nastaveným R = 4 mm v keramické kapiláře pro termoelektrické teploměry
Obr. 18. Fotografie celkového optického vlákna refraktometrického snímače teploty včetně krycího pouzdra (armatury)