SE418998B

SE418998B - Fibre optical temperature transmitter based on measurement of the position of an absorption edge for the temperature-dependent spectral absorption capacity of a material

Info

Publication number: SE418998B
Application number: SE7810163A
Authority: SE
Inventors: L Sander
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1981-07-06
Also published as: SE7810163L

Abstract

A fibre optical temperature transmitter contains a material 7 which is exposed to the temperature being measured. Optical fibres 2, 4, 5 are arranged to introduce light into said material and to extract light from it. The material 7 is temperature-dependent in such a way that its spectral absorption capacity is different within at least two wavelength regions. The outgoing light therefore has a different wavelength distribution than the incoming light, depending on the temperature of the material. The temperature-sensing material can be a metal oxide, such as orange minium or iron oxide, or a semiconductor material with temperature-dependent band gap, and the material can be arranged fixed or moveable relative to the optical fibres. <IMAGE>

Description

--,_,7810163-1 10 15' 20 25 30 55 för en sådan givare kalibreras med en känd temperatur, sedan den placerats i mätobjektet. Detta kan vara svårt eller rent av omöjligt, t ex inne i lind- ningen i en elektrisk maskin eller transformator. Den nämnda nackdelen blir ännu mer utpräglad i det fall, där den optiska fibern kan utsättas för okontrollerbar deformation under mätningen. -, _, 7810163-1 10 15 ' 20 25 30 55 for such a sensor is calibrated at a known temperature, after it has been placed in the measuring object. This can be difficult or even impossible, for example inside the in an electric machine or transformer. The mentioned disadvantage becomes even more pronounced in the case where the optical fiber may be exposed uncontrollable deformation during the measurement.

Enligt föreliggande uppfinning elimineras inverkan från varierande dämpning hos ljusledarsystemet. .Vidare saknar givaren rörliga delar och kan utföras med en enda optisk fiber som mätkaxzal.According to the present invention, the effect of varying attenuation is eliminated in the light guide system. Furthermore, the sensor lacks moving parts and can be made with a single optical fiber as the measuring axis.

Uppfinningen bygger på att .ett material, vars spektrala. absorptionsförmâga, dvs dess färg, ändras med temperaturen, anbringas i ett fiberoptiskt system och dess omfattning framgår av nedanstående patentkrav. Genom att mätningen av färgen från givaren göres i flera våglängdsområden, även icke mligt ljus kan användas, kan färgen bestämmas som ett relativt begrepp. Man blir däri- genom oberoende av absolutnivåai hos absorptionsförmågan hos det temperatuﬁcän- nande materialetl det enklaste utförandet görs färgbestämningen i två. våglängde- områden, men fler än två. kan komma i fråga för att öka. mätningens precision.The invention is based on a material whose spectral. absorbency, ie its color, changes with temperature, is applied in a fiber optic system and its scope is set out in the following claims. By the measurement of the color from the sensor is made in several wavelength ranges, even non-light can be used, the color can be determined as a relative term. You get there- by independent of the absolute level of the absorbency of the temperature The simplest embodiment is the color determination in two. wavelength areas, but more than two. may be eligible to increase. the precision of the measurement.

Separeringen av våglängderna kan ske vid ljuskällan exempelvis genom användning av lysdioder med olika våglängd, dvs smalbandigt ljus. En aman metod är att använda en bredbandig ljuskälla och åstadkomma spektralberoendet med hjälp av filter. Filtreringen kan också. åstadkommas på detektorsidan, antingen genom användning av detekterar med sinsemellan olika spektralberoende känslighet eller med detekterar av samma. typ försedda med olika filter. De nämnda filtren kan även vara monterade rörliga och rotera framför ljuskällan eller detektorn, vina bada är breabandiga. ' Den fiberoptiska strålgången' kan. utformas på. många sätt. Kravet är, att ljuset i de olika våglängdsområdena skall föras via optiska fibrer från ljuskällan eller ljuskällorna till det temperaturkänsliga materialet. Efter reflexion mot eller transmission genom materialet skall det återkastade ljuset via optiska fibrer föras till detektorn eller detektorerna..The separation of the wavelengths can take place at the light source, for example by use of LEDs with different wavelengths, ie narrowband light. An aman method is to use a broadband light source and achieve spectral dependence using filter. Filtering can also. achieved on the detector side, either by use of detects with different spectral-dependent sensitivities or with detects of the same. type equipped with different filters. The mentioned filters can also be mounted movable and rotate in front of the light source or detector, vina bada are breabandiga. ' The fiber optic beam path 'can. designed on. many ways. The requirement is, that the light in the different wavelength ranges shall be conducted via optical fibers from the light source or the light sources of the temperature sensitive material. After reflection on or transmission through the material, the reflected light shall be via optical fibers are fed to the detector or detectors ..

Uppfinningen kommer att beskrivas med hjälp av ett antal ritningsfigurer.The invention will be described with the aid of a number of drawing figures.

Figurerna -1 och 2 visar användandet av två separata ljuskällor.Figures -1 and 2 show the use of two separate light sources.

Figur 5 visar absorptionens beroende av ljusvåglängden.Figure 5 shows the dependence of absorption on the light wavelength.

Figur 4 visar en anordning med ett roterbart filter.Figure 4 shows a device with a rotatable filter.

Ifigur 5 visar hur en filterskiva kan vara indelad.Figure 5 shows how a filter disc can be divided.

Figur 6 visar transmissionen för ett antal olika ljusvåglängder. 10 15 20 25 30 7810163-1 Figur 7 visar en anordning med en bredbandig ljuskälla och filter vid detek- turerna.Figure 6 shows the transmission for a number of different light wavelengths. 10 15 20 25 30 7810163-1 Figure 7 shows a device with a broadband light source and filter at detection. the tours.

Figur 8 visar ett exempel på hur elektroniken kan vara utförd.Figure 8 shows an example of how the electronics can be made.

Figur 8a visar en signal i figur 8.Figure 8a shows a signal in Figure 8.

Om ljustransporten sker i flera fibrer, skall dessa föras tillsammans i samma kabel, så. att de i förekommande fall utsättas för same. höjningar. Figur 1 visar att ljuset från en ljuskälla 1 ledes in i en fiber 2 och ljuset från en ljuskälla. 5 ledes in i en fiber 4. Dessa båda fibrer lades tillsammans med en fiber 5, som samverkar med en detektor 6, till det temperaturkäbhande materialet 7, som med hjälp av lim 8 eller liknande är fäst vid änden av fiber- kabeln 9, som innehåller de tre optiska fibrerna. Ljuskällorna och detektorn är anslutna till en elektronikenhet 10, som styr ljuskällorna och utvärderar det från detektorn kommande ljuset. Denna enhet komer att beskrivas närmare 8611819 u Det temperaturkärmande materialet 7 kan inneslutas i ett hölje av glas, gummi eller liknande material. Om ett glasinneslutet materialet med sitt inneslutnings- material fästes direkt på fiberändarrxa fås en reducering av reflexerna från fiberändytorna, eftersom materialet på. båda sidor, om ändytorrza har i huvud- sak samma brytningsindex.If the light is transported in several fibers, these must be brought together in the same cable, so. that they are, where applicable, exposed to Sami. increases. Figure 1 shows that the light from a light source 1 is conducted into a fiber 2 and the light from a light source. 5 are led into a fiber 4. These two fibers were laid together with a fiber 5, which cooperates with a detector 6, to the temperature jaw handle the material 7, which by means of glue 8 or the like is attached to the end of the fiber cable 9, which contains the three optical fibers. The light sources and the detector are connected to an electronics unit 10, which controls the light sources and evaluates the light coming from the detector. This unit will be described in more detail 8611819 u The temperature-shielding material 7 can be enclosed in a housing of glass, rubber or similar materials. If a glass-enclosed material with its containment material is attached directly to the fiber end axis, a reduction of the reflections is obtained from the fiber end surfaces, because the material on. both sides, if the end surface dryness has mainly thing the same refractive index.

Det temperaturkäxuiande materialet kan vara infäst vid fiber-ändarna, så. som visas i figurerna 1 och 2, eller vara fritt anordnat i förhållande till fiberänden, så. som visas i figur 4. I senare fallet kan materialet 7, eventuellt inneslutet i något genomskinligt hölje, vara anordnat på en i förhållande till fiber- änden rörlig del. En praktisk tillämpning bland många är mätning av tempe- raturen i roterande maskindelar, exempelvis i rotorn till en elektrisk maskin.The temperature-absorbing material may be attached to the fiber ends, so. as shown in Figures 1 and 2, or be freely arranged relative to the fiber end, so. as shown in Figure 4. In the latter case, the material 7, possibly enclosed in some transparent casing, be arranged on a relative to the fiber end moving part. A practical application among many is the measurement of temperature. in rotating machine parts, for example in the rotor of an electric machine.

Materialet 'I placeras då på. den maskindel, exempelvis en lindningshärva, vara temperatur skall mätas. Fibern 11 anordnas så, att den kan' lysa på materialet under åtminstone en del av ett rotationsvarv.The material 'I is then placed on. the machine part, for example a winding spool, be temperature to be measured. The fiber 11 is arranged so that it can light up the material during at least part of a rotational revolution.

En lämplig utföringsform av fibersystemet är att, som figur 2 visar, låta, såväl det infallande som det utgående ljuset överföras i en gemensam fiber 11. Förgreningar på, ljusledarna sker med känd teknik.A suitable embodiment of the fiber system is to, as Figure 2 shows, let, both the incident and the outgoing light are transmitted in a common fiber Branches on, the light guides are made with known technology.

Vid ett praktiskt utförande av uppfinningen enligt figurerna 1 och 2 utgöres ljuskällorna av lysdioder med våglängderna 590 resp 950 nm. Detektorn utgöres av en kiselfotodiod, vilken har hög känslighet för dessa. våglängder. Den 7810163-1 10 15 20 _25 50 optiska fibern kan utgöras avkommersiellt tillgänglig step-index fiber, t ex Quartz-Silice 400/u fiber.In a practical embodiment of the invention according to Figures 1 and 2 the light sources of LEDs with wavelengths 590 and 950 nm respectively. The detector is constituted of a silicon photodiode, which has a high sensitivity to these. wavelengths. The 7810163-1 10 15 20 _25 50 the optical fiber may be commercially available step-index fiber, for example Quartz-Silice 400 / u fiber.

Det temperaturberoende materialet, som täcker fiberns ändyta, är kemiskt stabilt och färg-förändringen är reversibel. Materialet kan utgöras av en metalloxid, vald med hänsyn till färg och kemisk stabilitet. Som exempel på. sådana oxider kan nämnas blymönja, Pb504, och jämoxid, Fe203. Alternativt kan det temperaturkäzuxande materialet utgöras av en organisk vätska.. Enligt ett ytterligare alternativ är det temperaturkännande materialet fördelat i ljusledarens mantel och således påverkar det evanescenta fältet i manteln.The temperature-dependent material, which covers the end surface of the fiber, is chemical stable and the color change is reversible. The material can consist of a metal oxide, selected with regard to color and chemical stability. As an example of. such oxides may be mentioned lead monoxide, Pb504, and iron oxide, Fe2 O3. Alternatively the temperature-reducing material may be an organic liquid a further alternative is the temperature sensing material distributed in the mantle of the light guide and thus affects the evanescent field in the mantle.

Figur 5 visar schematiskt absorptionens beroende av våglängden Åvid två. olika temperaturer för ett _sådant material. Som synes uppvisar absorptionskurvan en utpräglad övergång från hög till låg absorption vid ökande våglängd och bildar därvid en s k absorptionskant. Väglängderna 590 och 950 nm är inlagda och dis- grammet visar, att absorptionskurvan är i huvudsak konstant vid 950 nm men varierar starkt i området omkring 590 nm. Absorptionskanterna för två. olika temperaturer 531, Tz är inlagda, varvid 'rf-Tr Temperaturkurvoma visar, att i området omkring 2-590 nm ökar absorptionen kraftigt med ökande temperatur. Ändringen i absorption, dvs absorptionskantens förskjutning vid en viss våg- längd, kan därför användas som ett mått på. ändringen av materialet temperatur.Figure 5 schematically shows the dependence of absorption on the wavelength at two. various temperatures for such a material. As can be seen, the absorption curve shows one pronounced transition from high to low absorption with increasing wavelength and forms thereby a so-called absorption edge. The path lengths 590 and 950 nm are inlaid and the program shows that the absorption curve is substantially constant at 950 nm but varies greatly in the range around 590 nm. The absorption edges for two. various temperatures 531, Tz are entered, where 'rf-Tr The temperature curves show that in the range around 2-590 nm, the absorption increases sharply with increasing temperature. The change in absorption, ie the displacement of the absorption edge at a certain wave length, can therefore be used as a measure of. the change in material temperature.

Det 'air inget krav att ljuskällorna skall vara smalbandiga.. Figur 4 visar en anordning med en filterskiva 12 driven av en motor 13 och placerad mellan en bredbandig ljuskälla 14 och fibern 2. Filterskivan, som visas i figur 5, är uppdelad i ett antal ljusgenomsläppande sektorer med olika vdglängdsområden A1, A2, 115, fï4. En sektor kan göras ogenomsläpplig för ljus. Figur 6 visar spektralfördelningen för de olika våglängdsområdena, som även kan överlappa varandra. Om ljuskäøllan 14 avger vitt ljus och filterskivan 12 har utseendet enligt figurerna 5 och 6, får signalerna från detektorn, som på mottagarsidsn är tillordnade resp filter, olika temperaturberoende. Olika kombinationer av filter kan användas för olika temperaturomrâden, alternativt kan en samman- Vägning av många. filter användas för att öka precisionen. Figur 7 visar an- vändandet av en bredbandig ljuskälla 14 och två detekterar 61, 62 resp med var sitt filter 15, 16 resp för var sitt våglängdsområde /\1, A2 resp. Ut- signalerna. från de båda detektorerna är påförda en kvotbildare 17, vars ut- signal blir beroende av temperaturen hos materialet 7. 'There is no requirement that the light sources be narrowband. Figure 4 shows a device with a filter disc 12 driven by a motor 13 and placed between one broadband light source 14 and the fiber 2. The filter disc, shown in Figure 5, is divided into a number of light-transmitting sectors with different wavelength ranges A1, A2, 115, fï4. A sector can be made impermeable to light. Figure 6 shows the spectral distribution for the different wavelength ranges, which may also overlap each other. If the light bulb 14 emits white light and the filter disc 12 has the appearance according to Figures 5 and 6, the signals received from the detector, as on the receiver side are assigned respectively filters, different temperature dependent. Different combinations of filters can be used for different temperature ranges, alternatively a Weighing of many. filters are used to increase precision. Figure 7 shows the the inversion of a broadband light source 14 and two detects 61, 62 and each filter 15, 16 respectively for each wavelength range / \ 1, A2 resp. Out- the signals. from the two detectors a quotient 17 is applied, the output of which signal becomes dependent on the temperature of the material 7. '

Claims

73 151610-1 Figure 8 shows an example of. an electronic equipment for the temperature sensor. An oscillator 20 controls over the drive circuit 21, 23 the two LEDs 1, 5, so. that they alternate. The photodiode 6, which is sensitive to both wavelengths, gives a signal via an amplifier 22, which is proportional to the reflectivity at the respective wavelength. The appearance of the signal is shown in Figure Ba. This signal is converted in an A / D converter 24 into digital form. Oscillator 20 also controls two. registers 25, 26, so that the digital signal for each wavelength is stored in separate registers. The contents of the registers are applied to a digital layer 27, which forms the ratio between the contents of the registers and provides an output signal which can be translated into the desired temperature. The circuit 27 can be an IC circuit, microprocessor, computer, etc. If now the transmission in the measuring fiber is changed, for example by the fiber being bent or deformed. otherwise, the signals for each wavelength will change in percentage terms by the same amount and the ratio will not change. A measuring system according to the invention is useful from 0 ° C to 500 ° C. However, it is noticeable that the fibers. must be completely in glass for the higher temperatures, above about 250%. PATENTKIIAV

Fiber optic temperature sensor based on measuring the position of an absorption edge of the temperature-dependent, spectral absorption capacity of a material (7), which is exposed to the temperature to be measured, the sensor having means (2, 4 ) for the introduction of light into said material and for the emission of light therefrom, characterized in that the temperature dependence of the spectral absorbency of said material (7) is different within at least two. wavelength ranges.

Sensor according to Claim 1, characterized in that the temperature-sensing material (7) is made of lead.

Sensor according to Claim 1, characterized in that the temperature-loving material (7) consists of iron oxide.

Sensor according to Claim 1, characterized in that the temperature-absorbing material (7) consists of a semiconductor material with a temperature-dependent band gap. - .7810163-1

Sensor according to claim 1, characterized in that the temperature-curing material is enclosed in a glass casing.

Sensor according to claim 1, characterized in that the temperature-sensing material is enclosed in a rubber casing.

Sensor according to Claim 1, characterized in that the temperature-sensing material is variable in relation to the means used for introducing any light into a light or any light from the material (2, 4, 5, 11).

Sensor according to claim 1, characterized in that the light-conducting means are optical fibers.

Sensor according to patent law 1, characterized in that the temperature-sensing material consists of an organic liquid. ".-" '

Sensor according to claim 1, characterized in that the temperature sensing material 'air is distributed in the mental conductor's mental and thus affects the evanescent field in the mantle.