FI78353C

FI78353C - Fiberoptiska temperaturmaetfoerfarande och -anordning.

Info

Publication number: FI78353C
Application number: FI871580A
Authority: FI
Inventors: Isko Kajanto; Ari Lehto
Original assignee: Vaisala Oy; Altim Control Ky
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1989-07-10
Also published as: FI871580A0; GB8808016D0; GB2203541B; FR2613832A1; FR2613832B1; JPS6420422A; DE3811824A1; FI871580A; FI78353B; GB2203541A

Description

78353

Kuituoptinen lämpötilanmittausmenetelmä ja -laite Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kuituoptinen lämpötilanmittausmenetelmä.

Keksinnön kohteena on myös menetelmässä käytettävä laite.

On olemassa useita sovellutuksia, joissa lämpötilaa on mitattava ei-sähköisesti. Muutamia tällaisia ovat eräät lääketieteelliset mittaukset, lämpötilan mittaus räjähdysalttiis-sa paikoissa ja mittaukset voimakkaissa sähkö- tai magneet-, tikentissä. Optiset ja erityisesti kuitupitoiset mittausmenetelmät ovat yksi ratkaisu tarpeeseen. Kuituoptiikkaa käyttämällä pystytään antureista tekemään hyvin pieniä ja luotettavia .

Tietyissä teollisuuden prosesseissa käytetään hyvinkin korkeita lämpötiloja, mutta tällaisissa kohteissa käytettävien antureiden on myös pystyttävä mittaamaan matalia lämpötiloja, jotta informaatiota saataisiin myös silloin, kun prosessia pysäytetään tai käynnistetään.

Ennestään on tunnettu useita erilaisia kuituoptisia lämpöti-lanmittausmenetelmiä. Lähes kaikissa niissä on huonona puolena se, ettei sekä matalia että korkeita lämpötiloja voida mitata samalla anturilla. Yksi keino tämän voittamiseksi on käyttää puolijohteitten absorptio-ominaisuuksien lämpötila-riippuvuutta. Tällainen suoran energiavälin puolijohteisiin perustuva menetelmä on esitetty PCT-hakemusjulkaisussa W0 8201588. Suoran energiavälin puolijohteissa absorptioreuna on hyvin jyrkkä, mistä seuraa, että mitattavissa oleva lämpötila-alue riippuu voimakkaasti sekä käytetyn valonlähteen spektrin leveydestä että sen aallonpituudesta.

US-patenttijulkaisusta 4,376,890 tunnetaan yhdistepuolijohteitten fluoresenssiominaisuuksiin perustuva lämpötila-anturi. Tässä on huonona puolena se, että fluorisoivan materiaa- 2 78353

Iin virittämiseen tarvitaan ultraviolettialueella toimiva lähde, jolloin pitkiä optisia kuituja ei voida käyttää näiden suuren vaimennuksen vuoksi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat .ja saada aikaan aivan uudentyyppinen kuituoptinen lämpötilanmittausmenetelmä ja -laite.

Keksintö perustuu siihen, että lämpötilalle herkkänä elementtinä käytetään lasilevylle kiinteästi liitettyä epäsuoran energiavälin omaavaa puolijohdetta, jolloin absorptio-reuna on loiva ja valolähteenä käytetään optista absorptio-reunaa pienemmällä aallonpituudella toimivaa lähdettä.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle laitteelle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerIckiosas-sa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Sopivasti valitulla valonlähteellä voidaan saavuttaa useiden satojen celsiusasteiden lämpötila-alue. Menetelmä ei ole kovin herkkä käytetyn valonlähteen spektrin leveydelle, mutta aallonpituus on joka tapauksessa valittava melko tarkasti. Rakenne on tyypillisesti yksinkertainen ja helposti valmistettavissa. Valonlähteet voivat toimia joko näkyvällä tai infrapuna-alueella, jolloin pienen vaimennuksen ansiosta voidaan käyttää hyvinkin pitkiä optisia kuituja.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista mittausjärjestelyä.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti toista keksinnön mukaista mittausjärjestelyä.

3 78353

Kuvio 3 esittää sivuleikkauskuvantona optisten kuitujen kytkeytymistä lämpötilalle herkkään elementtiin keksinnön mukaisessa ratkaisussa.

Kuvio 4 esittää sivuleikkauskuvantona yhtä keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 5 esittää graafisesti anturin fysikaalisia ominaisuuksia .

Kuvio 6 esittää sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista valolähdettä .

Kuvio 7 esittää kaaviollisesti toista keksinnön mukaista valolähdettä .

Kuvion 1 mukaisesti valonlähteen 10 emittoima valo johdetaan kuitua 12 pitkin anturiin 14. Anturi 14 vaimentaa valoa lämpötilan funktiona siten, että vaimennus kasvaa likimain lineaarisesti lämpötilan kasvaessa. Lämpötilainformaation sisältävä valo johdetaan kuitua 16 pitkin detektoriin 18, josta saatu sähköinen signaali muokataan edelleen sinänsä tunnetulla tavalla piirissä 20. Valonlähteen 10 aallonpituus on pienempi kuin anturissa 14 olevan puolijohteen optinen ab-sorptioreuna.

Kuvion 2 mukaisesti valoa tuodaan valonlähteistä 10a ja 10b optista kuitua 12 pitkin anturiin 14. Valonlähde 10b säteilee alueella, jolla lämpötilaherkkä elementti on yhtä läpinäkyvä kaikissa lämpötiloissa. Siten anturi saadaan jatkuvasti kalibroiduksi kuitujen transmission muutoksia vastaan. Valonlähde 10a lähettää valoa samalla kaistalla kuin lähde 10 kuviossa 1, joten siitä saadaan kaivattu lämpötilasta riippuva signaali. Kummankin valolähteen säteilemä valo johdetaan anturin 14 jälkeen optista kuitua 16 pitkin detektoriin 18. Valonlähteitten 10a ja 10b lähettämät kaistat on ajallisesti erotettu toisistaan. Kiteiselle (yksi- tai moni-kiteiselle) piille optinen absorptioreuna sattuu 1,1 pm aallonpituudelle (E = 1,1 eV). Siten lämpötilasignaalin antava 4 78353 valonlähde voi olla esim. 950 nm GaAs-LED, jollaista on käytetty prototyypissä. Referenssisignaalin voi antaa esim. 1,3 jim aallonpituudella toimiva GaAlAs-LED, jollaiset ovat stan-dardikomponentteja optisessa tiedonsiirrossa.

Kuvion 3 mukaisesti kuidusta 12 tuleva valo kulkee lasille 24 kiinteästi liitetyn puolijohteen 26 läpi lasin 24 kautta heijastavalle pinnalle 28 ja tulee takaisin samaa reittiä. Optisesta kuidusta 12 tuleva valo leviää kartioksi, joten osa palaavasta valosta kytkeytyy kuituun 16. Koska optiset kuidut 12 ja 16 ovat aivan kiinni puolijohteessa 26, ei kuituun 16 pääse puolijohteen 26 rajapinnoilta heijastuvaa haitallista valoa. Puolijohteen 26 pinta voi olla päällystetty antiheijastuskalvolla. Puolijohteena 26 käytetään jotakin epäsuoran energiavälin omaavaa ainetta kuten piitä tai german iumia.

Kuvion 4 mukaisesti optiset kuidut 12 ja 16 on sijoitettu yhdensuuntaisesti kapillaariin 30, jonka ulkohalkaisija on tyypillisesti n. 1,1 mm ja sisähalkaisija n. 0,4 mm. Kapillaari 30 on puolestaan saman sylinterin 32 sisällä kuin läm-pötilaherkkä elementti 22. Sylinterin 32 ulkohalkaisija on ohuemmassa päässä tyypillisesti n. 1,1 mm, paksummassa päässä n. 1,4 mm ja pituus n. 10 mm. Sylinterin 32 seinämänpak-suus pyritään saamaan mahdollisimman pieneksi. Sylinteri 32 on tukittu toisesta päästään tulpalla 34, jonka halkaisija on n. 1,4 mm ja paksuus 2 - 3 mm. Lämpöherkkä elementti 22 on 1,0 * 1,0 * 1,0 mm^ oleva fcuutio. Kapillaarista 30 poistuvat kuidut, valoa tuova kuitu 12 ja vievä kuitu 16, on tuettu hoikilla 36. Kuitujen halkaisija on tyypillisesti 125 - 140 /im.

Kuvion 5 mukaisesti anturin toiminta perustuu siihen, että käytetyn puolijohteen absorptiospektri 38 lämpötilan muuttuessa siirtyy energia-asteikolla joko vasemmalle tai oikealle sen mukaan nouseeko vai laskeeko lämpötila. Spektrin 38 muoto ei kuitenkaan tällöin sanottavasti muutu, joten tietyn energian kohdalla eksponentiaalinen vaimennuskerroin cf.

Il 5 78353 muuttuu yksikäsitteisesti lämpötilan funktiona. Piille tyypillisenä arvona voidaan mainita Eq = 1,3 eV (GaAs-LED). Kuviossa Ti puolestaan on likimain 300°K (huoneenlämpötila). OC(Ti) on likimain 200 1/cm, ja kun T2 on 600 K, on Oi (T2) likimain 900 iycm. Käytettäessä aallonpituudeltaan sopivaa valonlähdettä saadaan lämpötila mitatuksi muuttuvan absorption avulla. Paras tulos saavutetaan, kun valonlähde 10 tai 10a emittoi valoa absorptiospektrin loivalla osalla 40.

Kuvion 6 mukaisessa ratkaisussa käytettäessä kahta kaistaa saadaan tarvittavat kaistat yhdestä lähi-infrapuna-alueella toimivasta lähteestä 42 käyttämällä pyörivää levyä 44, jossa olevissa rei'issä on sopivat suodattimet 46a ja 46b. Suodattimien läpi mentyään valo viedään optiseen kuituun 12. Kapeiden kaistojen aikaansaamiseksi suodattimina on käytettävä esim. interferenssisuodattimia. Tällaisia on saatavissa halutuille aallonpituusalueille halutuilla spektrileveyksillä.

Kuvion 7 mukaisessa ratkaisussa käytettäessä kahta kaistaa voidaan tarvittavat kaistat saada kahdesta erillisestä valonlähteestä 10a ja 10b. Kustakin lähteestä tuleva valo johdetaan eri kuituihin 12a ja 12b, jotka yhdistetään myöhemmin yhdeksi kuiduksi 12.

Claims

78353

1. Menetelmä lämpötilan mittaamiseksi kuituoptisesti., jossa menetelmässä - valolähteellä (10) synnytetään mittaussignaalina käytettävä valo, - valo johdetaan ensimmäistä optista kuitua (12) pitkin mittauskohteessa sijaitsevaan lämpöherkkään elementtiin (26), - lämpöherkän elementin (26) läpäissyt valo johdetaan toista optista kuitua (16) pitkin ilmaistavaksi ilmaisimessa (18) lämpötilan määrittämiseksi, tunnettu siitä, että - lämpöherkkänä elementtinä (26) käytetään epäsuoran energiavälin omaavaa yksi- tai monikiteistä puolijohdetta, ja - valolähteenä käytetään lähdettä (10), jonka aallonpituus on pienempi kuin käytetyn lämpöherkän elementin (26) optinen absorptioreuna.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpöherkkään elementtiin (26) johdetaan vertai-lusignaali, jonka aallonpituus on lämpöherkän elementin (26) optista absorptioreunaa suurempi optisen kuidun (12, 16) vaimennuksen vaihteluiden eliminoimiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vertailusignaali ja mittaussignaali muodostetaan suodattamalla nämä laajakaistaisesta signaalista. 7 78353

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vertailusignaali ja mittaussignaali muodostetaan erillisillä valolähteillä (10a, 10b).

5. Jonkin patenttivaatimuksen 2-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vertailusignaali johdetaan läm-pöherkkään elementtiin (26) aikajakoisesti ensimmäistä optista kuitua (12) pitkin.

6. Laitteisto lämpötilan mittaamiseksi kuituoptisesti, joka laitteisto käsittää - ainakin yhden valolähteen (10), jolla mittaussignaalina käytettävä valo on synnytettävissä, - mittauskohteeseen sijoitettavan lämpöherkän elementin (26), - vähintään yhden ensimmäisen optisen kuidun (12), jolla valo on siirrettävissä lämpöherkkään elementtiin (26), ja - toisen optisen kuidun (16), jolla lämpöherkän elementin (26).läpäissyt valo on johdettavissa ilmaisimeen (18) lämpötilan määrittämiseksi, tunnettu siitä, että - lämpöherkkänä elementtinä (26) on epäsuoran energiavälin omaavaa yksi- tai monikiteinen puoli-johdekerros, ja - valolähteestä (10) lämpöherkkään elementtiin (26) saapuvan valon aallonpituus on järjestetty pienemmäksi kuin käytetyn valoherkän elementin (26) optinen absorptioreuna. 8 78353

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto, tunnet-t u siitä, että valolähteen (10) ja lämpöherkän elementin (26) väliin on sovitettu suodatinelimet (44) tarpeettomien aallonpituuksien suodattamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että sekä ensimmäinen (12) että toinen (16) optinen kuitu ovat rinnakkain oleellisen yhdensuuntaisesti kiinni lämpöherkässä elementissä (26), joka on kiinnitetty lasilevylle (24), jonka lämpöherkkää elementtiä (26) vastakkainen seinämä on varustettu heijastavalla pinnalla (28). 78353 Patentkrav;