Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Optovláknové snímače teploty

číslo 1/2003

Optovláknové snímače teploty

Rozvoj technik využívajících jedinečné vlastnosti optických vláken se už zdaleka netýká pouze oblasti informatiky a komunikací, ale stále častěji zasahuje i do dalších oblastí lidské činnosti. Názorným příkladem je technika detekce, snímání a sledování různých fyzikálních i chemických veličin, nacházející uplatnění např. v lékařství, sledování životního prostředí, v chemickém a petrochemickém průmyslu, leteckém průmyslu a především v energetice.

V energetice se v současné době využívají zejména optovláknové systémy bodového i rozprostřeného měření teploty, systémy pro měření proudu a napětí a systémy bodového a rozprostřeného měření mechanických vibrací. V blízké budoucnosti se snad objeví i některé další optovláknové systémy, které, stejně jako systémy již uvedené, budou pro uživatele přitažlivé především pro svou odolnost proti rušení elektromagnetickými poli, malé rozměry, a tudíž možnost umístění do nepřístupných míst, chemickou odolnost, minimální požadavky na údržbu a velmi dlouhou životnost.

Systémy bodového měření teploty

S optovláknovými systémy bodového měření teploty lze uskutečnit množství aplikací, jejichž realizace by při klasickém způsobu měření (tj. elektricky) byla velmi komplikovaná.

Použití v energetice, při průmyslovém ohřevu, v lékařství
Typickou aplikací v energetice je přímé sledování teploty vinutí transformátorů vvn prostřednictvím optovláknových čidel instalovaných do každého vinutí. Přímé měření teploty v transformátoru, teploty generátorových vývodů a popř. teploty vypínače generátoru poskytuje údaje, které mohou být využívány k minimalizaci požadavků na údržbu, optimalizaci zatížení, prodloužení životnosti a v neposlední řadě i k vyloučení možných poruch sledovaného zařízení ještě před jejich vznikem. Zároveň jsou tyto systémy využívány výrobci transformátorů, kterým mohou poskytnout mnoho cenných informací při vývoji a zdokonalování stávajících výrobků, při ověřování teplotního modelu a při pořizování počátečních údajů jako základu pro sledování postupné degradace transformátoru. V uvedených aplikacích v transformátorech se využívají výborné dielektrické vlastnosti optického vlákna.

V různých oblastech průmyslu patří mezi běžné aplikace optických vláken měření teploty produktů ohřívaných v mikrovlnných nebo vysokofrekvenčních pecích.

V lékařství se optovláknovými systémy bodového měření teploty měří teplota tkání lidského těla např. při fyzikálních terapiích v onkologii.

Principy činnosti
Uživatel požaduje od systému pro měření teploty především:

  • snadnou instalaci a ovládání,
  • dlouhodobou spolehlivost,
  • cenovou dostupnost.

V současné době tyto požadavky více či méně splňují systémy několika výrobců, přičemž jimi nabízené bodové optovláknové teploměry pracují na různých principech. Nejčastěji se využívají změny v absorpčním spektru polovodiče GaAs v závislosti na teplotě nebo měření úbytku intenzity fluorescence teplotně citlivého fosforu. Tyto dva základní principy jsou v dalším textu popsány podrobněji. Vedle nich se používají i některé další systémy, založené např. na principech interferometru.

Využití změn v absorpčním spektru
V čidle využívajícím změny v absorpčním spektru polovodiče je na konci optického vlákna umístěn polovodičový krystal, který je v kontaktu s měřeným objektem. Ke krystalu je vláknem přivedeno bílé světlo. Krystal část světla absorbuje a zbytek se vrací vláknem zpět do přístroje. Ze spektrálního složení (barvy) světla vraceného do přístroje se určí teplota krystalu. Důležitým rysem tohoto systému je skutečnost, že informace o teplotě se vyhodnocuje z barvy světla a nikoliv z jeho intenzity. V porovnání s jinými systémy má tudíž systém využívající změny v absorpčním spektru mnoho výhod.

Měření doby poklesu intenzity fluorescence
V čidle založeném na měření doby poklesu intenzity fluorescence teplotně citlivého fosforu je optickým vláknem přivedeno k fosforu umístěnému na konci vlákna světlo modré barvy. Konec vlákna s fosforem je opět v přímém kontaktu s měřeným objektem. Světlo modré barvy budí fluorescenci (luminiscenci) v červené oblasti spektra. Vybuzené světlo je vedeno vláknem zpět do přístroje a měřena je doba poklesu intenzity fluorescence, která je přímo závislá na teplotě měřeného objektu.

Přístrojové realizace
Většina systémů měří teploty v rozmezí od –40 do +250 °C s nejistotou ±1 až ±2 °C a dobou odezvy v řádu desetin sekundy. Systémy jsou vybaveny analogovým i digitálním výstupem a k dispozici jsou v provedení s jedním až šesti kanály nebo i v mnohokanálových verzích podle potřeb zákazníků. Přístroje mohou být vybaveny i reléovými výstupy např. pro přímé ovládání provozního stavu transformátoru nebo pro vyhlášení poplachu.

Systémy rozprostřeného sledování teploty

Technika umožňující sledovat teplotu podél optického vlákna bývá označována DTS (Distributed Temperature Sensing) nebo také FTR (Fibre Temperature Radar). Podél měřicího optického vlákna (resp. kabelu), které musí být v kontaktu s měřeným objektem (např. produktovod, energetický kabel vvn, chemický reaktor), lze odečíst teplotu i v několika tisících měřených bodech spolu se stanovením jejich polohy.

Obr. 1.

Široké možnosti použití
Systém DTS je využíván pro sledování teploty v mnoha oblastech. Nejčastěji se lze setkat s aplikacemi v protipožárních systémech (zejména v tunelech), při sledování teploty podél energetických silových kabelů vvn uložených v zemi nebo podél fázových vodičů nadzemních energetických přenosových tras, popř. při měření teploty podél produktovodů a sledování případných úniků (např. čpavek, pára, zemní plyn, ropa). Systémy DTS se používají i pro sledování rozložení teploty na povrchu rozměrných objektů (např. průmyslových chemických reaktorů – obr. 1). Systém DTS lze na základě vyhodnocení změn teploty využít k okamžitému řízení probíhajících procesů nebo i k předcházení možným poruchám či dokonce haváriím zařízení. Software systému DTS umožňuje rozdělit měřenou oblast do jednotlivých zón (podélných i plošných), takže kromě celkového teplotního profilu lze pro měřené body zahrnuté v jednotlivé zóně vyhodnotit maximální, minimální a průměrnou teplotu, popř. rychlost změny teploty, a tyto hodnoty porovnávat s mezemi nastavenými pro spuštění výstrahy v dané zóně. Zařízení může komunikovat i se vzdáleným řídicím centrem.

Princip činnosti
Princip metody rozprostřeného monitorování teploty spočívá v tom, že do standardního telekomunikačního optického vlákna je zavedeno optické záření výkonného laseru. Část záření, které se rozptyluje na materiálu vlákna, se vrací zpět do měřicí jednotky systému, kde je vyhodnocována. Na základě Ramanova nebo Brilloinova jevu lze z tohoto signálu získat informaci i o teplotě. K tomu je nutné provést detekci na jiné vlnové délce, než na které pracuje budicí laser. Oddělení signálu vhodné vlnové délky a jeho detekce při intenzitách o mnoho řádů menších, než je intenzita záření budicího laseru, jsou technicky velmi náročné. Zároveň se měří doba potřebná k tomu, aby se optické záření dostalo do určitého bodu a zpět. Tím se zajistí, že naměřená hodnota teploty je přiřazena právě tomuto bodu, takže lze získat informaci o teplotě podél celého vlákna.

Přístrojové realizace
Systémy pracující na principu DTS jsou dnes schopny měřit teplotu od –50 do +400 °C, pouze v závislosti na materiálu pláště vlákna, při nejistotě ±1 °C. Špičkové přístroje umožňují měřit teplotu podél vlákna délky až 30 km. Nejistota určení polohy je ±1 m při vzdálenosti do 2 km. Při měření je otázkou kompromisu volba několika protichůdných parametrů, kterými jsou nejistota měření teploty, délka měřeného úseku, prostorová rozlišovací schopnost a doba potřebná k vykonání měření. Pro jednotlivé aplikace se volí optimální nastavení, takže tam, kde se systém použije jako požární senzor, se zpravidla jedná o úseky do 2 km, rozlišovací schopnost 2 až 5 m je dostatečná a nejistota měření teploty ±2 až ±3 °C také, nicméně doba vyhodnocení musí být kratší než 10 s. Naopak tam, kde je úsek delší než 20 km a přípustná nejistota ±1 °C, popř. je požadována co nejlepší prostorová rozlišovací schopnost, je doba potřebná k provedení měření např. 10 min.

Závěr

Optovláknové senzory byly celosvětově použity již v mnoha stovkách referenčních projektů i komerčních instalací. Zkušenosti získané při těchto projektech a instalacích ukázaly, že pro značné výhody zmiňované techniky v porovnání s klasickými metodami měření jsou instalace optovláknových senzorů a jejich systémů technicky i ekonomicky výhodné. Systémy pracují dlouhou dobu s velkou spolehlivostí a minimálními požadavky na údržbu. Lze tedy očekávat, že se s optovláknovými měřicími systémy budeme v praxi setkávat stále častěji, a to nejen při měření teploty.

Ing. Ladislav Šašek, CSc.,
Safibra, s. r. o.

Inzerce zpět