FI78353B

FI78353B - FIBEROPTIC TEMPERATURMAETFOERFARANDE OCH -ANORDNING.

Info

Publication number: FI78353B
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: 1989-03-31
Also published as: GB2203541A; JPS6420422A; GB2203541B; FI871580A; GB8808016D0; FR2613832A1; FR2613832B1; DE3811824A1; FI871580A0; FI78353C

Description

7835378353

Kuituoptinen lämpötilanmittausmenetelmä ja -laite Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kuituoptinen lämpötilanmittausmenetelmä.The present invention relates to a fiber optic temperature measuring method according to the preamble of claim 1.

Keksinnön kohteena on myös menetelmässä käytettävä laite.The invention also relates to a device for use in the method.

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 .There are several applications where the temperature must be measured non-electrically. A few of these are some medical measurements, temperature measurements in potentially explosive atmospheres, and measurements in strong electric or magnetic fields. Optical and especially fiber-containing measurement methods are one solution to the need. Using fiber optics, the sensors can be made very small and reliable.

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.Certain industrial processes use very high temperatures, but the sensors used in such sites must also be able to measure low temperatures in order to obtain information even when the process is stopped or started.

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.Several different fiber optic temperature measurement methods are already known. The disadvantage of almost all of them is that both low and high temperatures cannot be measured with the same sensor. One way to overcome this is to use the temperature dependence of the absorption properties of semiconductors. Such a method based on direct energy semiconductors is disclosed in PCT application WO 8201588. In direct energy semiconductors, the absorption edge is very steep, with the result that the measurable temperature range strongly depends on both the width and wavelength of the spectrum of the light source used.

US-patenttijulkaisusta 4,376,890 tunnetaan yhdistepuolijohteitten fluoresenssiominaisuuksiin perustuva lämpötila-anturi. Tässä on huonona puolena se, että fluorisoivan materiaa- 2 78353U.S. Pat. No. 4,376,890 discloses a temperature sensor based on the fluorescence properties of compound semiconductors. The disadvantage here is that the fluorescent material is 2 78353

Iin virittämiseen tarvitaan ultraviolettialueella toimiva lähde, jolloin pitkiä optisia kuituja ei voida käyttää näiden suuren vaimennuksen vuoksi.A source operating in the ultraviolet range is required for excitation, so that long optical fibers cannot be used due to their high attenuation.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat .ja saada aikaan aivan uudentyyppinen kuituoptinen lämpötilanmittausmenetelmä ja -laite.It is an object of the present invention to obviate the disadvantages of the technique described above and to provide a completely new type of fiber optic temperature measuring method and apparatus.

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.The invention is based on the use of a semiconductor with an indirect energy gap fixedly connected to a glass plate as a temperature-sensitive element, in which case the absorption edge is gentle and a light source operating at a lower wavelength than the optical absorption edge is used as the light source.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.More specifically, the method according to the invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 1.

Keksinnön mukaiselle laitteelle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerIckiosas-sa.The device according to the invention, in turn, is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 6.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.The invention provides considerable advantages.

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.With a suitably selected light source, a temperature range of several hundred degrees Celsius can be achieved. The method is not very sensitive to the width of the spectrum of the light source used, but the wavelength must be chosen quite precisely in any case. The structure is typically simple and easy to manufacture. The light sources can operate in either the visible or infrared range, so that very long optical fibers can be used thanks to the low attenuation.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.The invention will now be examined in more detail with the aid of application examples according to the accompanying drawings.

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista mittausjärjestelyä.Figure 1 schematically shows one measuring arrangement according to the invention.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti toista keksinnön mukaista mittausjärjestelyä.Figure 2 schematically shows another measuring arrangement according to the invention.

3 783533 78353

Kuvio 3 esittää sivuleikkauskuvantona optisten kuitujen kytkeytymistä lämpötilalle herkkään elementtiin keksinnön mukaisessa ratkaisussa.Figure 3 shows a side sectional view of the coupling of optical fibers to a temperature sensitive element in a solution according to the invention.

Kuvio 4 esittää sivuleikkauskuvantona yhtä keksinnön mukaista anturia.Figure 4 shows a side sectional view of one sensor according to the invention.

Kuvio 5 esittää graafisesti anturin fysikaalisia ominaisuuksia .Figure 5 shows graphically the physical properties of the sensor.

Kuvio 6 esittää sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista valolähdettä .Figure 6 shows a side view of one light source according to the invention.

Kuvio 7 esittää kaaviollisesti toista keksinnön mukaista valolähdettä .Figure 7 schematically shows another light source according to the invention.

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.According to Figure 1, the light emitted by the light source 10 is conducted along the fiber 12 to the sensor 14. The sensor 14 attenuates the light as a function of temperature so that the attenuation increases approximately linearly with increasing temperature. The light containing the temperature information is passed along the fiber 16 to the detector 18, from which the obtained electrical signal is further modified in a manner known per se in the circuit 20. The wavelength of the light source 10 is smaller than the optical absorption edge of the semiconductor in the sensor 14.

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.According to Figure 2, light is supplied from light sources 10a and 10b via optical fiber 12 to sensor 14. The light source 10b radiates in an area where the temperature sensitive element is equally transparent at all temperatures. Thus, the sensor is continuously calibrated against changes in fiber transmission. The light source 10a emits light in the same band as the source 10 in Figure 1, so that a desired temperature-dependent signal is obtained. After the sensor 14, the light emitted by each light source is conducted along the optical fiber 16 to the detector 18. The bands emitted by the light sources 10a and 10b are temporally separated from each other. For crystalline (mono- or polycrystalline) silicon, the optical absorption edge occurs at a wavelength of 1.1 μm (E = 1.1 eV). Thus, the 4 78353 light source providing the temperature signal may be, for example, a 950 nm GaAs LED as used in the prototype. The reference signal can be provided, for example, by a GaAlAs LED operating at a wavelength of 1.3 .mu.m, which are standard components in optical communication.

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.According to Figure 3, the light from the fiber 12 passes through a semiconductor 26 fixedly connected to the glass 24 through the glass 24 to the reflecting surface 28 and returns by the same path. The light from the optical fiber 12 propagates into a cone, so that some of the returning light is coupled to the fiber 16. Since the optical fibers 12 and 16 are completely attached to the semiconductor 26, no harmful light reflected from the interfaces of the semiconductor 26 enters the fiber 16. The surface of the semiconductor 26 may be coated with an anti-reflection film. As the semiconductor 26, a substance with an indirect energy gap, such as silicon or germanium, is used.

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.According to Figure 4, the optical fibers 12 and 16 are arranged parallel to a capillary 30, typically having an outer diameter of about 1.1 mm and an inner diameter of about 0.4 mm. The capillary 30, in turn, is inside the same cylinder 32 as the temperature sensitive element 22. The outer diameter of the cylinder 32 is typically about 1.1 mm at the thinner end, about 1.4 mm at the thicker end, and about 10 mm in length. The aim is to keep the wall thickness of the cylinder 32 as small as possible. The cylinder 32 is blocked at one end by a plug 34 having a diameter of about 1.4 mm and a thickness of 2 to 3 mm. The heat-sensitive element 22 has a resolution of 1.0 * 1.0 * 1.0 mm 2. The fibers exiting the capillary 30, the light-introducing fiber 12 and the conducting fiber 16, are supported by a sleeve 36. The diameter of the fibers is typically 125 to 140.

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.According to Fig. 5, the operation of the sensor is based on the fact that when the absorption spectrum 38 of the semiconductor used changes with the temperature, the energy scale shifts either to the left or to the right according to whether the temperature rises or falls. However, the shape of the spectrum 38 does not change significantly, so that for a given energy the exponential attenuation coefficient 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.Il 5 78353 changes unambiguously as a function of temperature. As a typical value for silicon, Eq = 1.3 eV (GaAs-LED) can be mentioned. In the figure, Ti, on the other hand, is approximately 300 ° K (room temperature). OC (Ti) is approximately 200 1 / cm, and when T2 is 600 K, Oi (T2) is approximately 900 lycm. When using a light source of suitable wavelength, the temperature is measured by variable absorption. The best result is obtained when the light source 10 or 10a emits light in the gentle portion 40 of the absorption spectrum.

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.In the solution according to Figure 6, using two bands, the necessary bands are obtained from one source 42 operating in the near-infrared range by using a rotating plate 44 with holes 46a and 46b in the holes. After passing through the filters, the light is introduced into the optical fiber 12. In order to obtain narrow bands, e.g. interference filters must be used as filters. These are available for the desired wavelength ranges at the desired spectral widths.

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.When using two bands in the solution according to Figure 7, the necessary bands can be obtained from two separate light sources 10a and 10b. The light from each source is conducted to different fibers 12a and 12b, which are later combined into a single fiber 12.

Claims

A method for fiber optic temperature measurement, according to which a method - by means of a light source (10) generates light which acts as a measurement signal - the light is passed along a first optical fiber (12) to a heat sensitive element (26) next to the measuring object, - the light passing the heat-sensitive element (26) is passed along a second optical fiber (16) to a detector (18) for detection and predetermination of the temperature, characterized in that - as a heat-sensitive element (26), a mono- or multi-crystalline semiconductor is used with a and as a light source, a source (10) whose wavelength is less than the optical absorption edge of the heat sensitive element used (26) is used.

Method according to claim 1, characterized in that a reference signal is provided to the heat-sensitive element (26), the wavelength of which is greater than the optical absorption edge of the heat-sensitive element (26) to eliminate the variations in the damping of the optical fiber (12). , 16).

Method according to claim 2, characterized in that the reference signal and the measurement signal are formed by filtering them from a wide frequency range signal.

Method according to claim 2, characterized in that the reference signal and the measurement signal are generated by separate light sources (10a, 10b). 10 78353

5. A method according to any one of claims 2-4, characterized in that the reference signal is fed to the heat sensitive element (26) at a time frequency along the first optical fiber (12).

An apparatus for fiber optic temperature measurement, comprising - at least one light source (10) by which the light used as a measurement signal can be generated, - a heat sensitive element (26) placed within the measurement object, - at least one first optical fiber, with which light can be transmitted to the heat sensitive element (26), and - a second optical fiber (16) with which the light passed through the heat sensitive element (26) can be directed to a detector (18) for determining the temperature, characterized in that - the heat sensitive element (26) consists of a mono- or multicrystalline semiconductor layer with an indirect energy gap, and - the wavelength of the light from the light source (10) incident in the light-sensitive element (26) is arranged to be smaller than the optical ab -sorption edge of the heat-sensitive element used (26).

Installation according to claim 6, characterized in that between the light source (10) and the heat sensitive element (26), filter means (44) are arranged for removing unnecessary path lengths. Il