Laboratorium techniki światłowodowej Ćwiczenie 4. Dwustanowy optyczny sensor temperatury Katedra Optoelektroniki i systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdaoska Gdańsk 2006
1. Wprowadzenie Problemem pomiaru temperatury zajmowano się już w czasach starożytnych. Wtedy to rzymski lekarz Galen wprowadził cztery stopnie gorąca i cztery stopnie zimna, odnoszące się do ludzi. Wprowadził też stopień zerowy (neutralny), przy czym stwierdził, że jest on zależny od szerokości geograficznej. Późniejsi uczeni opierali się na założeniach Galena aż do Galileusza, któremu przypisuje się wynalezienie urządzenia nazywanego później termometrem. Niestety, termometr Galileusza nie miał podziałki oraz jego wskazania były zależne od ciśnienia atmosferycznego. Pierwszy termometr z zasklepioną rurką został skonstruowany przez członków Florenckiej Akademii Nauk. Posiadał on podziałkę, ale bez przyporządkowanych jej wartości liczbowych. Z biegiem lat powstawała potrzeba zdefiniowania pewnych stałych punktów termometrycznych, umożliwiających wzorcowanie istniejących termometrów. Pierwszym, którego skala przetrwała do dziś, był gdańszczanin D. G. Fahrenheit, który opisał termometr rtęciowy i zaproponował trzy stałe punkty termometryczne: temperaturę mieszaniny lodu, wody i chlorku amonu, jako 0 stopni, temperaturę mieszaniny lodu i wody, jako 32 stopnie, temperaturę ciała ludzkiego, jako 96 stopni. Parę lat później szwedzki astronom i fizyk A. Celsjusz opracował termometr rtęciowy, w którym temperaturę wrzenia wody przyjął jako 0, a temperaturę topniejącego lodu za 100. Dopiero ponad sto lat później inny szwedzki astronom odwrócił te wartości. Obecnie stosowana termodynamiczna skala temperatury jest oparta na jednym punkcie stałym punkcie potrójnym wody, któremu przyporządkowano wartość 273,16 K. Jednostkę nazwano kelwin i oznaczono ją przez K, definiując jako 1/273,16 część temperatury potrójnego punktu wody. 2. Światłowodowe sensory temperatury Istnieje wiele znanych metod i przyrządów do pomiaru temperatury. Jednakże nadal poszukuje się nowych sposobów mierzenia tej wielkości. Wraz z rozwojem nauki, techniki i technologii pojawiają się nowe problemy, które trudno rozwiązać stosując znane metody pomiarowe. Problemy te wynikają m.in. z potrzeb pomiaru temperatury w obecności silnych, wolno i szybkozmiennych pól elektromagnetycznych lub w ośrodkach agresywnych chemicznie. Rosną także wymagania dotyczące ekstremalnie krótkich czasów pomiaru, odpowiedniego zakresu pomiarowego, dużej dokładności i rozdzielczości. W tych obszarach zastosowanie techniki światłowodowej oferuje nowe możliwości. Zasadnicze zalety światłowodowych sensorów temperatury wynikają z tego, że są one wykonane z materiałów będących dobrymi dielektrykami, mają małą masę i rozmiary, posiadają dużą czułość i pozwalają na wykorzystanie wielu elementów i podzespołów opracowanych dla potrzeb telekomunikacji światłowodowej. Pomimo, że sensory światłowodowe należą do stosunkowo młodej dziedziny nauki i techniki, do dnia dzisiejszego opracowano wiele typów sensorów wykorzystujących różnorodne zjawiska fizyczne, między innymi: absorpcję, fotoluminescencję, emisję promieniowania termicznego, interferencję, rozpraszanie. Laboratorium techniki światłowodowej Strona 2
3. Zasada działania dwustanowego sensora temperatury Konwencjonalne sensory oparte na optycznej absorpcji lub rozpraszaniu mają zazwyczaj duży zakres pomiarowy, ale wymagają zastosowania dwóch torów: pomiarowego i odniesienia, a także okresowej kalibracji. Zwiększa to stopień skomplikowania ich budowy. Z drugiej strony, w wielu zastosowaniach przemysłowych i biochemicznych nie jest konieczna dokładna znajomość temperatury bezwzględnej, przy której zachodzi dany proces, a jedynie kontrolowanie, czy nie przekroczona została określona stała wartość, zapewniająca bezpieczny przebieg reakcji. Do takich zastosowań konwencjonalne sensory temperatury są zbyt złożone i zbyt drogie, zwłaszcza w stosunku do prostych zadań jakie mają realizować. Powyższe fakty nasunęły pomysł realizacji prostego i taniego sensora, który reagowałby na przekroczenie określonej wartości temperatury. Światłowodowe dwustanowe czujniki dyskretnych wartości temperatury, wykorzystujące odpowiednio dobrane materiały termoczułe, nie wymagają toru odniesienia, jak również okresowej kalibracji. Odpowiednimi i jednocześnie tanimi materiałami dla sensorów dwustanowych są węglowodory nasycone, a przede wszystkim parafiny i mieszaniny olejów mineralnych. Przejściu z fazy stałej do ciekłej takich związków towarzyszy skokowa zmiana ich właściwości optycznych, takich jak transparencja i współczynnik załamania światła. Najbardziej interesującą grupą materiałów są parafiny, będące mieszaniną stałych węglowodorów nasyconych (powyżej 15 atomów węgla w cząsteczce). Są one związkami nietoksycznymi, o doskonałej stabilności chemicznej, bez zapachu i bez smaku, rozpuszczalnym w benzenie, gorącym alkoholu, chloroformie, odpornym na działanie kwasów i alkaliów. Technologia wytwarzania parafin jest dobrze opanowana i nie stwarza kłopotów. Temperatury topnienia parafin, czyli przejścia fazowe, są jednoznacznie określone i mieszczę się w przedziale od 30 C do 100 C w zależności od ilości atomów węgla. Zwiększenie ilości atomów węgla w cząsteczce o jeden powoduje wzrost temperatury topnienia o 1,5 C. 4. Konstrukcja sensora Dwustanowy optyczny sensor temperatury składa się ze źródła światła, światłowodu nadawczego, kuwety z parafiną, światłowodu odbiorczego i miernika mocy optycznej, połączonych na stałe. Czujnik może pracować w trybie transmisyjnym lub refleksyjnym. Na potrzebę laboratorium wykonano dwa modele sensora pracujące: pierwszy w trybie refleksyjnym, drugi w trybie transmisyjnym. Głowice sensora pracującego w obu trybach przedstawiono schematycznie na rysunku 1, a schematy układu pomiarowego na rysunku 2. a) Laboratorium techniki światłowodowej Strona 3
b) Rysunek 1. Schemat głowicy sensora: a) w trybie refleksyjnym, b) w trybie transmisyjnym. a) b) Rysunek 2. Schemat układu pomiarowego sensora: a) w trybie refleksyjnym, b) w trybie transmisyjnym. Na rysunku 3 przedstawiono konstrukcję mechaniczną sensorów wykorzystywanych w laboratorium. W celu przedstawienia wpływu rozmiarów kuwetki pomiarowej na czułość czujnika, umożliwiono dokonywanie zmiany drogi pokonywanej przez światło w wosku i regulacji odległości pomiędzy światłowodem nadawczym i odbiorczym. W przypadku sensora refleksyjnego zmiana odległości pomiędzy światłowodem nadawczym i odbiorczym polega na przesuwaniu zwierciadła pokrętłem, światłowody są umocowane na stałe. W sensorze transmisyjnym zmiana odległości następuje poprzez przesunięcie jednego ze światłowodów. Laboratorium techniki światłowodowej Strona 4
a) b) Rysunek 2. Schemat konstrukcji mechanicznej: a) w trybie refleksyjnym, b) w trybie transmisyjnym. 5. Opis stanowiska pomiarowego W skład stanowiska wchodzą: badane sensory, zestaw optoelektroniczny zawierający źródło światła i fotodetektor, woltomierz oraz regulator temperatury z czujnikiem i elementem grzejnym. W zestawie optoelektronicznym wytwarzany jest sygnał optyczny, a tajże dokonuje się pomiary mocy sygnału przychodzącego z toru pomiarowego. Zestaw posiada dwa złącza optyczne (wejście in i wyjście out) i jedno gniazdo BNC, oznaczone U 0, umożliwiające pomiar napięcia proporcjonalnego do mocy sygnału optycznego, mierzonego przez odbiornik. Ponadto posiada pokrętło służące do regulacji czułości odbiornika. Optymalną czułość należy dobrać indywidualnie dla każdego sensora. Przy skrzepniętym wosku napięcie wyjściowe nie powinno przekraczać 0,3V. Regulator GRTS-1 wraz z elementem grzejnym i czujnikami temperatury umożliwia zadawanie wymaganej temperatury. Każdy sensor posiada własny czujnik umieszczony na obudowie Przed przystąpieniem do pomiaru należy upewnić się, że odpowiedni czujnik połączony jest z gniazdem CZUJNIK TEMPERETURY umieszczonym z tyłu regulatora. Po lewej stronie płyty czołowej regulatora znajduje się wyświetlacz cyfrowy. Jeżeli przycisk NASTAWA TEMPERATURY UTRZYMYWANEJ jest wciśnięty, wyświetlacz pokazuje temperaturę zadaną przez użytkownika. W przeciwnym wypadku rzeczywistą temperaturę czujnika. Jeżeli na wyświetlaczu nie jest pokazywana żadna temperatura, należy sprawdzić poprawność podłączenia czujnika. W celu zadania kolejnej wartości temperatury należy trzymać wciśnięty przycisk NASTAWA TEMPERATURY UTRZYMYWANEJ i ustawić żądaną wielkość przy pomocy Laboratorium techniki światłowodowej Strona 5
pokrętła umieszczonego obok. Po prawej stronie płyty czołowej znajduje się włącznik sieciowy, wskaźnik pokazujący moc grzania i włącznik układu grzania. Uwaga 1: Element grzejny powinno się przenosić trzymając go za drewnianą rączkę. Nie należy dotykać pozostałych części, gdyż mogą być gorące. Po stopieniu wosku nie należy też dotykać metalowego korpusu sensora! Uwaga 2: Zmiany odległości można dokonywać tylko przy rozpuszczonym wosku (powyżej 60 C). 6. Zadania pomiarowe a) pomierzyć charakterystykę wyjściową mocy optycznej w funkcji temperatury P(T) dla obydwu sensorów w zakresie temperatur od 20 C do 80 C. Stosować skok temperatury 5-10 C. Obserwować stan skupienia wosku. Kiedy zacznie się on topić przy ściankach pojemnika należy zmniejszyć skok do 1-2 C. Gdy stopi się całkowicie (moc sygnału na wyjściu sensora gwałtownie wzrośnie) można powrócić do pomiarów co 5-10 C; b) przy roztopionym wosku pomierzyć zależność wyjściowej mocy optycznej od: przesunięcia zwierciadła w stosunku do położenia, przy którym wyjściowe moc optyczna jest maksymalna (z krokiem co 0,5mm) dla sensora odbiciowego, zmiany odległości pomiędzy światłowodami (z krokiem co 0,5mm) dla sensora transmisyjnego; c) zaobserwować na charakterystyce powrotnej (w trakcie studzenia), przy jakiej temperaturze wystąpi skokowy spadek sygnału; d) pomierzyć z większym krokiem charakterystyki z pkt. a) dla różnych odległości światłowodów od zwierciadła (sensor odbiciowy) i od siebie (sensor transmisyjny). 7. Opracowanie a) wykreślić otrzymane charakterystyki; wyjściową moc optyczną wykreślić jako wielkość względną unormowaną do maksymalnej wartości dla danego sensora; charakterystyki z pkt. 6a i 6c przedstawić na wspólnych wykresach; b) omówić otrzymane charakterystyki z uwzględnieniem wpływu właściwości optycznych wosku i konstrukcji sensora; c) skomentować zafalowanie charakterystyki P(T) w zakresie temperatur poniżej punktu topnienia wosku; d) podać przykłady zastosowań dwustanowych sensorów temperatury; określić ich zalety i wady przy danym zastosowaniu; e) przedstawić przemyślane wnioski i spostrzeżenia. 8. Literatura Laboratorium techniki światłowodowej Strona 6