V praxi existují případy kdy nelze pro měření teploty použít "standardní metody", jako např. měření ve výbušných a snadno vznětlivých prostředích elektráren. Pak přichází na řadu optika - optovláknové senzory teploty, jejichž princip je založen na změně šíření světla vláknem nebo jeho odrazu na konci vlákna.

V praxi existuje několik druhů aplikací vyžadující měření teploty, kde neprakticky nebo z legislativních důvodů nelze použít obvykle používané senzory teploty pracující na principu převodu teploty na změnu elektrické veličiny (napětí, proud), jako jsou například odporové senzory teploty (termistor, Pt100, Ni1000), termočlánky nebo polovodičové senzory s PN přechodem. Pokud to podmínky a vyžadované parametry měření dovolují, mohou se nasadit bezkontaktní snímače teploty, které umožňují měřit teplotu vzdáleně, mimo nebezpečnou oblast. Jenže takové senzory potřebují opticky průchozí prostředí s přímou viditelností na měřený objekt a navíc měří teplotu jen na povrchu objektu a ne například v jeho nitru. Tedy pro tyto aplikace, kde nelze využít ani jednu z výše uvedených typů teploměrů, se může využít optovláknových senzorů teploty.

Optovláknové senzory teploty využívají, jak název napovídá, světla a jeho šíření v optických vláknech. V obecném pohledu jde v tomto případě vlastně o kombinaci obou "klasických" principů. Využívá se k měření teploty světlo, které je bezpečné pro použití v nebezpečných prostorách a navíc je konkrétně vymezena jeho oblast působení a jeho vedení prostřednictvím optického kabelu. V tomto směru existuje několik využívaných principů založených buď na změně odrazu světla s teplotou na konci optického vlákna, nebo změně vlastností šíření světla určitým úsekem samotného optického kabelu.

Použití

• Měření teploty v jakkoliv nebezpečných prostředích - např. atomová elektrárna
• Měření teploty ve výbušných a vznětlivých prostředích - např. uhelné elektrárny a teplárny
• Plošné měření teploty uhlí - ochrana proti samovznícení
• Měření teploty v prostředí se zemním plynem
• Měření na velké vzdálenosti od vyhodnocovací elektroniky stovky metrů až kilometry
• Monitorování teploty mechanických částí strojů, např. letadel
• Měření teploty proudových motorů
• Měření teploty při indukčním ohřevu

Princip optovláknových senzorů teploty

Základním principem uvedených senzorů je změna některé z vlastností světla, vysílaného zdrojem záření do optického vlákna, vlivem působící změny teploty v měřeném místě. Měněna může být amplituda světla, jeho fáze, vlnová délka a tím i spektrum světla, nebo časové zpoždění vysílaných impulsů.

Parametry vysílaného světla se mohou měnit dvěma základními způsoby:

• přímou změnou parametrů optického vlákna vlivem změny teploty (obr. 1.) - využívá se zde jinak parazitních vlastností vláken, jako např. disperze, optický útlum, změna rychlosti šíření světla - vhodné pro plošné měření teploty
  
• nepřímo změnou vlastností materiálu na konci optického vlákna (obr. 2.) - nejčastěji se zde využívá změny odrazu nebo rozptylu světla na odrazné plošce na konci optického kabelu; optický kabel se tedy využívá jen vodič světla - vhodné pro bodové místní měření teploty

Na obrázku 1. je princip klasické koncepce optovláknových senzorů teploty se změnou odrazu světla na konci vlákna. Buď se využívá již přímo změny samotné odrazné plochy, reflektoru, který v rostoucí nebo klesající teplotou mění svojí schopnost odrážet nebo pohlcovat celé nebo část spektra příchozího světla, nebo reflektor má stále stejné vlastnosti, ale je mu předřazen materiál se s měnící se propustností (transparentností). V prvním případě se vyhodnocuje změna amplitudy odraženého světla, případně jeho některých složek, tzn. vyhodnocuje se spektrum. V druhém případě s nejčastěji vyhodnocuje změna fáze odraženého světla, zpoždění impulsu nebo interference způsobené složení složky světla odražené již teplotně citlivým materiálem a složky odražené pevným reflektorem.

Obrázek 2. pak ukazuje jednu z mnoha možností plošného měření teploty vlivem změny deformace optického vlákna. Zde konkrétně bimetalový proužek reaguje na změnu teploty prohnutím a tím různým stlačením čelistí. Ty mezi sebou deformují optické vlákno, kde vzniklé mikroohyby způsobují zvýšení útlumu světla tohoto úseku. Mimo to se v praxi ještě využívá závislosti útlumu, rychlosti šíření světla a disperze optického vlákna na teplotě. Tyto principy lze nalézt v případě plošného měření teploty, např. uvnitř hromady uhlí.

 

Teplotní senzor s změnou absorpce světla krystalem GaAs

 

Jeden z často využívaných principů je změna vlnové délky světla polovodičovým krystalu GaAs umístěného v sondě (probe) na konci optického vlákna před odraznou plochou. Ta odráží světlo vyslané zdrojem bílého světla (White light source) přes optický sdružovač (optical coupler) zpět k snímači tvořený spektrometrem (spectrometer) - viz obrázek 3. Popis kontrukce teplotně citlivé sondy (probe) je na obrázku 4. Zde je optické vlákno (Fiber) chráněné zapouzdřením v odolném teflonovém plášti (Teflon) zakončeno polovodičovým krystalem (Semiconductor crystal) z materiálu GaAs a dielektrickou odraznou plochou - zrcadlem (Dielectric mirror).

Obr. 3. Celá trasa optovláknového měření teploty

Samotný princip přeměny teploty na změnu vlnové délky (spektra) světla, který provádí právě vrstvička GaAs, je založen na absorpci určitých vlnových délek při určité teplotě polovodiče. S rostoucí teplotou krystalu GaAs se totiž posouvá absorpční minimu, tj. maximální přenos světla, do vyšších vlnových délek - viz obrázek 5. Pokud tedy se optickým kabelem přenáší bílé světlo, zahrnující široké spektrum vlnových délek, lze změřením vlnové délky odraženého světla přesně určit teplotu v místě krystalu. Výhodou je, že tato metoda do jisté míry nezávisí na intenzitě signálu příchozího signálu, což eliminuje vlivy parazitních útlumů optického vlákna. Nevýhodou použití polovodičového materiálu je relativně nízký rozsah měřené teploty (max. 120 °C).

Optovláknový senzor teploty s luminoforem

Pod názvem "optovláknový senzor teploty s luminoforem", někdy označovaný i jako fluorescence-decay temperature probe (teplotní sonda s poklesem vyzařování), se skrývá sonda využívající optického vlákna zakončeného vrstvičkou teplotně citlivého luminoforu. Stejně jako v předchozím příkladě, i zde optické vlákno slouží k "dopravení" světla vyzářeného vysílačem (zdrojem záření - např. červenou LED diodou) k luminoforu v místě měření teploty. Ten pak provádí transformaci teploty na světlo, které je pak detekováno snímačem, např. fotodiodou.

Celý princip přeměny lze zjednodušeně popsat následovně: impuls světla, který projde optickým kabelem, dopadá na luminifor a provádí jeho nábojovou excitaci. Ta následně způsobí spontální emisi v podobě zpětného vyzáření části dodané energie ve formě záblesku světla určité vlnové délky a doby trvání. Ty jsou právě úměrné měřené teplotě. Častěji se využívá závislosti doby dosvitu luminoforu (doby trvání, resp. délky vyzářeného impulsu světla) na teplotě z důvodu snazšího vyhodnocení a menšího vlivu parazitních vlastností optického kabelu - viz obrázek 7.

Praktickým příkladem realizace je teplotní senzor LumiTherm 500 firmy Ipitek, který využívá patentované složení luminoforu Y3Al5O12:Cr3+ (Cr:YAG). Ten umožňuje měřit rozpětí teplot –50°C až 500°C, přičemž samotný luminofor by byl schopen pracovat i při teplotách přes 1000°C, ale stop měření zde vystaví samotné optické vlákno.

Optovláknový senzor teploty s Fabry-Perotovým interferometrem

Celý snímač je založen na opticky navázaném Fabry-Perotovém interferometru, který zde pracuje jako převodník změny teploty na změnu spektra světla. Tento systém se například využívá k měření a monitorování teploty leteckých motorů a konvenčních i atomových elektráren, kde umožňuje měření teploty v rozsahu zhruba -50 až 600°C.

Slitinou niklu stíněný senzor (teplotní sonda) obsahuje Fabry-Perotův interferometr, který je umístěn na konci safírového optického vlákna, které propojuje teplotně ciltivý snímač s vyhodnocovací elektronikou - viz obrázek 8.. Malý reflektor (odrazná ploška) ze slitiny platiny je pouzdrem ze stejné slitiny přesně udržován ve vzdálenosti d od vyleštěného konce vlákna a vytváří tak oscilační dutinu rezonátoru. Bílé světlo vyslané zdrojem záření do optického vlákna přichází až k sondě. 4 % z tohoto světla je odraženo zpět z vyleštěného konce vlákna. Zbylé záření postupuje dále až k platinovému odraznému zrcadlu, kde se cca 90% odrazí na zpět a spolu s dříve odraženým světlem postupuje k přijímači - spektrometru. Ten je tvořený CCD snímačem. Interference dvou různě odražených paprsků světla pak na něm vytvoří charakteristické proužky jejichž struktura odpovídá intenzitě odraženého světla a jeho vlnové délce. Vlivem různého teplotní roztažnosti safírového optického vlákna a pouzdra ze slitiny platiny se mění i vzdálenost odrazných ploch d a tím i interferenční obrazec.

Závěr

Optovláknové senzory teploty sice nejsou nijak masově rozšířené, hlavně z důvodu vysoké ceny, ale umožňují realizovat měření teploty i tam, kde jiné běžnější principy měření teploty selhávají nebo nejdou z principu nebo z bezpečnostních důvodů použít. Jde i o zajímavá použití optických kabelů i jiným způsobem než jen pro přenos dat a vytváření komunikačních sítí. V některém z dalších článků pak uvedu příklady a parametry vyráběných a prodávaných optovláknových snímačů některých firem.

DOWNLOAD & Odkazy

• Odkazy na stránky s tématikou optovláknových senzorů - www.nasatech.com, www.capgo.com, www.sensorsmag.com, www.ipitek.com, www.isa.org
• 
  
• Článek o optických senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o luminiscenčních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz