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 λref ≠ λměř, 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)