وحدة تحويل الحرارة بالألياف الضوئية هي الجهاز الذي يحوّل الإشارة الضوئية العائدة من حساس الحرارة الليفي الضوئي إلى قيمة حرارية يمكن عرضها أو تسجيلها أو إرسالها إلى نظام مراقبة آخر. يستجيب الحساس للحرارة عند نقطة مادية. وتقع وحدة التحويل في جهة الأجهزة من سلسلة القياس؛ إذ ترسل الضوء عبر الليف وتقرأ الإشارة العائدة وتحسب النتيجة. وفي النظام الفلوري، يعتمد الحساب على تغير سلوك إشارة الفلورة الصادرة من طرف الاستشعار مع الحرارة.
تستخدم INNO قياس الحرارة النقطي بالألياف الضوئية القائم على الفلورة. يثير المحوّل المادة المستشعرة، ويستقبل الفلورة المرتدة، ثم يستخلص حرارة طرف المسبار من اضمحلال الفلورة.
ما وحدة تحويل الحرارة بالألياف الضوئية؟
يشير مصطلح «وحدة تحويل الحرارة بالألياف الضوئية» عمومًا إلى الجهاز الذي يستقبل إشارة استشعار ضوئية ويعالجها أو يفك تضمينها ثم يحوّل النتيجة إلى قيمة حرارية أو خرج قابل للاستخدام. ولا يوجد اسم موحّد صارم لهذا النوع من الأجهزة في جميع أنحاء القطاع.
تصف الشركات المصنّعة معدات متشابهة بمسميات مثل وحدة التحويل أو المرسل أو مفكك الإشارة أو وحدة الاستجواب أو جهاز القياس أو المراقبة أو الوحدة المضيفة. وتتداخل هذه المسميات، لكنها ليست قابلة للتبادل دائمًا.
بحسب تصميم الجهاز، قد يتولى المحوّل المهام التالية:
- الإثارة الضوئية لعنصر الاستشعار
- استقبال الإشارة الضوئية المرتدة
- تهيئة الإشارة
- فك تضمين معلومات الحرارة
- حساب درجة الحرارة
- معالجة رقمية
- عرض أو خرج بيانات
لا يؤدي كل جهاز جميع الوظائف. فبعض الوحدات تتضمن شاشة محلية، بينما ترسل وحدات أخرى البيانات إلى جهاز مضيف منفصل. وتشيع في أجهزة القياس الصناعية واجهات مثل Ethernet وRS485 ومخرج التيار التماثلي وملامسات المرحل، لكن توفرها في محوّل بعينه يعتمد على الجهاز وتهيئة واجهته.
حساس الحرارة الليفي الضوئي ووحدة التحويل مكوّنان مختلفان
من مصادر الالتباس الشائعة اعتبار الحساس والمحوّل جهازًا واحدًا، مع أن لكل منهما وظيفة مختلفة.
يستشعر المستشعر أو المسبار الحرارة عند نقطة فعلية. وفي نظام الفلورة يحدث ذلك عند طرف استشعار فلوري في نهاية الألياف. مستشعرات الحرارة بالألياف الضوئية تكون عادةً سلبية عند نقطة القياس؛ إذ لا يحتوي المجس على إلكترونيات تحسب الحرارة.
تستقبل وحدة التحويل أو فك الإشارة الإشارة الضوئية وتعالجها. وهي توفّر ضوء الإثارة وتقرأ الإشارة العائدة وتستخلص منها درجة الحرارة.
تتبع سلسلة الإشارة المعتادة الخطوات التالية:
temperature ↓ fluorescent sensing tip ↓ optical fiber ↓ returned fluorescence signal ↓ converter / demodulator ↓ temperature value ↓ display / monitoring / control system
هذه السلسلة هي جوهر القياس: يحوّل الطرف الحرارة الفعلية إلى تغير في السلوك الضوئي، وينقل الليف الإشارات الضوئية في الاتجاهين، ثم تحوّل وحدة القياس الإشارة العائدة إلى رقم يمكن للمهندس أو نظام التحكم استخدامه.
موضح مبدأ طرف الاستشعار في ما حساس الحرارة بالألياف الضوئية وكيف يعمل؟.
كيف يعمل تحويل الحرارة بالألياف الضوئية القائمة على الفلورة؟
الاستشعار الحراري الفلوري بالألياف الضوئية يستخدم مادة فلورية عند طرف المسبار يتغير سلوك انبعاثها مع الحرارة، ثم يفسر المحوّل هذا السلوك. وتعرض الخطوات أدناه التسلسل العام من دون افتراض طول موجي أو قيمة زمنية أو خوارزمية بعينها، إذ تختلف هذه التفاصيل باختلاف التصميم.
1. الإثارة الضوئية
يرسل الجهاز ضوء الإثارة عبر الليف الضوئي باتجاه المجس. ويُعد مصدر الضوء والتحكم فيه جزءًا من وحدة التحويل.
2. طرف استشعار فلوري
عند نهاية الليف، تمتص مادة الاستشعار عند طرف المجس ضوء الإثارة وتُثار.
٣. اضمحلال الفلورة
بعدها تصدر المادة تألقًا. وعند توقف الإثارة، يخفت الضوء المنبعث بمرور الوقت، ويتغير نمط اضمحلاله مع حرارة المادة. ويحمل سلوك الاضمحلال هذا معلومات الحرارة.
٤. الإشارة الضوئية المرتدة
تعود إشارة الفلورة عبر المسار الضوئي إلى الجهاز. ويُستخدم الليف نفسه عادةً في الاتجاهين، لكن الترتيب الضوئي الدقيق يعتمد على التصميم.
٥. فك تضمين الإشارة
يعالج المحوّل الإشارة المرتدة. ويعني فك التضمين هنا استخلاص المعلومات المرتبطة بالحرارة، أي سلوك الاضمحلال في هذه الحالة، من الإشارة الضوئية الخام.
٦. حساب درجة الحرارة
يحوّل الجهاز سلوك اضمحلال الفلورة المقاس إلى قيمة حرارة باستخدام علاقة معايرة بين الاضمحلال ودرجة الحرارة. ولهذا يجب أن يكون الحساس والجهاز متوافقين.
7. الخرج
يمكن بعد ذلك عرض نتيجة الحرارة أو تسجيلها أو إرسالها إلى نظام آخر، بحسب واجهات الجهاز.
لأن القياس يعتمد على سلوك الاضمحلال لا على سطوع الضوء المرتد، فهو أقل اعتمادًا على تغيرات الشدة البسيطة في المسار الضوئي. وهذا أحد أسباب استخدام أساليب عمر الفلورة لقياس الحرارة عند نقاط محددة.
وحدة التحويل والمرسل ومفكك الإشارة ووحدة الاستجواب
ترد هذه المصطلحات الأربعة معًا كثيرًا، وتتمحور الفروق غالبًا حول الوظيفة التي يركز عليها كل مصطلح. وقد تستخدمها الشركات المصنّعة بمعانٍ مختلفة، لذا يصف الجدول الاستخدام المعتاد لا تعريفات ثابتة.
| المصطلح | ما الذي يبرزه الاسم؟ | الدور المعتاد | ملاحظة مهمة |
|---|---|---|---|
| وحدة تحويل | تحويل إشارة الاستشعار إلى بيانات حرارة أو خرج قابل للاستخدام | يستقبل الإشارة البصرية ويخرج قيمة حرارة أو إشارة أخرى | مصطلح عام، وليس فئة أجهزة موحّدة المعايير بدقة |
| مرسل | إرسال درجة الحرارة المقاسة إلى نظام تحكم أو مراقبة آخر | توفّر بيانات الحرارة عبر خرج أو واجهة اتصال | تؤدي بعض المنتجات المسماة أجهزة إرسال أيضًا وظيفة القراءة الضوئية، بينما قد تكتفي منتجات أخرى بتمرير البيانات. |
| مزيل التضمين | استخراج معلومات الحرارة من الإشارة البصرية العائدة | يعالج الإشارة الضوئية لاستخلاص الكمية المرتبطة بالحرارة. | يركز على خطوة معالجة الإشارة، وقد تكون هذه الخطوة جزءًا من جهاز أكبر. |
| جهاز استجواب | مصطلح واسع لجهاز يثير الحساسات البصرية ويقرأها في أنظمة استشعار الألياف الضوئية | يرسل الضوء إلى الحساس ويقرأ الاستجابة | يستخدم عبر تقنيات استشعار كثيرة، لذا لا يحدد وحده مبدأً أو بنيةً معينة |
| جهاز قياس | اسم عام لجهاز القراءة الكامل | ينفذ قراءة المستشعر والمعالجة والإخراج في وحدة واحدة. | مصطلح عام لا يحدد بنية الجهاز أو مجموعة وظائفه |
ينبغي مراعاة نقطتين. فالمحوّل وجهاز الإرسال ليسا الشيء نفسه تمامًا، مع إمكان أداء المنتج الواحد الوظيفتين. كما أن مصطلح جهاز الاستجواب لا يشير دائمًا إلى بنية واحدة محددة؛ فجهاز الاستجواب المصمم لطريقة استشعار ضوئية يختلف عن المصمم لطريقة أخرى.
للمنتجات التي تركز على إيصال بيانات الحرارة إلى الأنظمة الأخرى، راجع أجهزة إرسال الحرارة ومضيفات المراقبة بالألياف الضوئية.
تتوفر الأجهزة أيضًا بأشكال مادية مختلفة؛ فبعضها وحدات مستقلة، وبعضها وحدات مدمجة صُممت لتتكامل مع معدات أكبر. وحدات وأجهزة قياس الحرارة بالألياف الضوئية يغطي نطاق الأشكال المتاحة للاستخدام المدمج لدى مصنعي المعدات أو للاستخدام المستقل.
ما معنى القناة في وحدة تحويل الحرارة بالألياف الضوئية؟
في الاستشعار النقطي، تتطلب كل نقطة استشعار مستقلة عادةً قناة قياس نشطة متوافقة. والقناة هي المسار الذي يثير به الجهاز مجسًا واحدًا ويقرأ إشارته العائدة.
يمكن تلخيص العلاقة كما يلي:
1 probe ≈ 1 sensing point ≈ 1 compatible active channel
على سبيل المثال التوضيحي، يتطلب قياس أربع نقاط مادية مستقلة عادةً أربعة مجسّات وأربع قنوات فعّالة متوافقة على الأقل. وهذا مثال فقط؛ فليست كل وحدات التحويل مصممة بالعدد نفسه من القنوات، ويتوقف العدد المتاح على الجهاز المحدد.
القياس النقطي ليس قياسًا موزعًا لدرجة الحرارة
يقيس مسبار الفلورة الحرارة عند طرف الاستشعار. ولا توفر الألياف بين المسبار والجهاز تلقائيًا ملفًا حراريًا مستمرًا على امتدادها.
لا يحوّل تعدد القنوات النظام إلى قياس موزّع لدرجة الحرارة (DTS). إذ توفر المجسّات المتعددة قياسات نقطية مستقلة، يرتبط كل منها بموضع معروف يحدده المهندس. وتستخدم تقنيات القياس الموزع مبادئ استشعار وطرق استجواب مختلفة، وهي خارج نطاق الاستشعار النقطي الفلوري الذي تقدمه INNO.
كيف تغادر بيانات الحرارة المحوّل؟
بعد أن يحسب المحوّل قيمة الحرارة، يمكن استخدام هذه القيمة بعدة طرق:
- معروضًا محليًا على الجهاز
- يُسجّل للتحليل لاحقًا
- يُنقل رقميًا
- إرسالها إلى PLC
- يُرسل إلى نظام SCADA
- يُدمج في نظام مراقبة أوسع
يعتمد توفر هذه الخيارات على الجهاز المحدد وتهيئة واجهته. وقد تخرج وحدة OEM مدمجة بيانات رقمية يتولاها جهاز مضيف. أما الجهاز المستقل فقد يضم شاشة ومنافذ اتصال خاصة به. وينبغي تأكيد الخيارات المتاحة لكل جهاز بدلًا من افتراضها.
عندما تُغذى البيانات إلى نظام أكبر يجمع عدة حساسات ومعالجة بيانات وإنذارات وبرمجيات، تصبح جزءًا من نظام مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية. يوفر المحوّل بيانات الحرارة، ويحدد نظام المراقبة كيفية استخدامها.
مكوّنات نظام قياس الحرارة بالألياف الضوئية
يمكن وصف نظام قياس كامل لدرجة الحرارة بالألياف الضوئية عبر مكوناته أدناه. ولا يحتاج كل مشروع إلى جميع المكونات، كما تختلف طريقة تجميعها.
| المكوّن | الوظيفة | مثال على الدور |
|---|---|---|
| طرف أو مجس استشعار فلوري | يستجيب للحرارة عند نقطة فعلية | يوضع في موضع قياس الحرارة |
| ليف ضوئي | ينقل ضوء الإثارة والإشارة البصرية العائدة | يوصل المسبار بالجهاز عبر المسافة المطلوبة |
| الموصل أو الواجهة | يوصل مسار الألياف بالجهاز | يوفّر وصلة ضوئية متوافقة بين المجس ووحدة التحويل |
| محوّل الحرارة / مفكك التضمين | يقرأ الإشارة العائدة ويحسب درجة الحرارة | ينتج قيمة حرارية من الإشارة الضوئية |
| برنامج المراقبة أو النظام المضيف | يجمع بيانات الحرارة أو يعرضها أو يسجلها أو يحللها | يوفّر الاتجاهات والسجلات ومعالجة الإنذارات، بحسب التصميم |
| التكامل مع PLC / SCADA | ينقل بيانات الحرارة إلى أنظمة التحكم أو الإشراف | يتيح استخدام بيانات الحرارة في التحكم بالعملية أو مراقبة المنشأة |
للاطلاع على مقدمة أوسع عن تقنية القياس كاملةً، راجع قياس الحرارة بالألياف الضوئية.
وحدة تحويل الحرارة بالألياف الضوئية مقابل نظام المراقبة
المصطلحان مرتبطان، لكنهما يصفان نطاقين مختلفين.
تقرأ وحدة التحويل إشارة الحساس وتفك تضمينها وتحولها. ومهمتها إنتاج بيانات الحرارة من الإشارات الضوئية.
عادةً ما يكون نظام المراقبة مفهومًا أوسع على مستوى النظام. وقد يشمل، بحسب التصميم، حساسات متعددة ووحدة تحويل أو مرسلًا واقتناء بيانات وشاشة وإنذارات ووظائف اتصال وبرمجيات وتكاملًا مع النظام. وتختلف الوظائف المحددة من نظام إلى آخر.
قد يكون المحوّل أحد مكونات نظام المراقبة، لكنه لا يمثل نظام المراقبة كاملًا. وفي المقابل، قد تستخدم بعض أنظمة المراقبة أكثر من محوّل واحد لمواقع قياس مختلفة.
هل يعمل أي حساس ليفي ضوئي مع أي وحدة تحويل؟
لا، ليس تلقائيًا. إذ يعتمد التوافق على عدة عوامل:
- مبدأ الاستشعار
- الخصائص الضوئية
- بنية المسبار
- واجهة الموصل
- معايرة الجهاز
- طريقة معالجة الإشارة
- تهيئة القنوات
لا تتوافق مجسات الفلورة تلقائياً بين العلامات التجارية أو التصميمات المختلفة؛ فلا يُفترض أن يقرأ الجهاز أي مستشعر من أي مُصنّع. وتعتمد علاقة المعايرة بين الاستجابة الضوئية للمسبار ودرجة الحرارة على توافق المسبار مع الجهاز.
تتطلب تقنيات الاستشعار المختلفة أجهزة قراءة مختلفة
لا يستطيع محوّل مخصص لقياس عمر الفلورة قراءة مستشعرات تعتمد تلقائياً على انزياح طول موجة شبكات براگ الليفية (FBG)، أو حافة امتصاص زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، أو الاستشعار الموزع برامان، أو مبادئ ضوئية أخرى. فلكل تقنية إثارة ضوئية ومعالجة للإشارة وطريقة استجواب مختلفة.
تستخدم مستشعرات درجة الحرارة بالألياف الضوئية المعتمدة على GaAs، مثلاً، مبدأ قياس مختلفاً عن مستشعرات عمر الفلورة. وللمقارنة بين النهجين، راجع مقارنة حساسات الحرارة الليفية الضوئية القائمة على GaAs والفلورة.
كيفية اختيار محوّل قياس درجة الحرارة بالألياف الضوئية
تغطي القائمة التالية النقاط الأساسية الواجب مراجعتها، ولا يحتاج كل مشروع إليها جميعًا.
- تقنية الحساس: تحقّق من تصميم الجهاز لمبدأ الاستشعار المستخدم، مثل عمر الفلورة.
- عدد نقاط القياس: احصر المواقع المستقلة المطلوب قياسها.
- عدد القنوات المطلوبة: طابق عدد القنوات النشطة المتوافقة مع نقاط الاستشعار.
- نوع المسبار المدعوم: تحقّق من توافق الجهاز مع بنية المجس المقصودة.
- نطاق القياس المطلوب للتطبيق: تحقق من تغطية النظام لنطاق الحرارة المتوقع.
- الدقة المطلوبة: حدد احتياجات التطبيق الفعلية.
- متطلبات الاستجابة: راعِ سرعة تتبع تغير الحرارة المطلوبة.
- توافق الموصلات: تحقّق من توافق الواجهة الضوئية بين المجس والجهاز.
- واجهة البيانات: حدد كيفية إخراج البيانات من الجهاز.
- متطلبات العرض المحلي: حدد الحاجة إلى قراءة البيانات على الجهاز نفسه.
- تكامل PLC أو SCADA: تحقق من مسار الاتصال إلى أنظمة التحكم أو الإشراف عند الحاجة.
- متطلبات تسجيل البيانات: حدد ما إذا كان الجهاز أو نظام منفصل سيسجل البيانات.
- بيئة التركيب: راعِ الظروف المحيطة بالمسبار والجهاز معاً.
- الحاجة إلى جهاز OEM مدمج أو جهاز مستقل: حدّد ما إذا كانت الوحدة ستُدمج في معدات أخرى أو ستُستخدم مستقلةً.
أين تُستخدم محوّلات الحرارة بالألياف الضوئية؟
تُستخدم المحوّلات حيثما تُطبق سلسلة قياس الحرارة بالألياف الضوئية. وتشمل المجالات المعتادة:
- محوّلات القدرة: قياس حرارة الملفات أو الأجزاء الداخلية عندما تقع نقطة القياس في بيئة كهربائية شديدة المتطلبات.
- المحركات والمولدات: قياس الحرارة عند مواضع داخلية مختارة.
- معدات الجهد العالي: قياس الحرارة عند نقاط تتطلب عزلًا كهربائيًا.
- معدات التسخين بتردد RF والميكروويف: قياس الحرارة في المجالات التي قد تشوش الحساسات الكهربائية.
- البيئات الطبية أو ذات المجالات المغناطيسية القوية: قراءة الحرارة حيث قد لا تلائم الحساسات المعدنية التطبيق.
- أنظمة الاختبار الصناعية: جمع درجات الحرارة النقطية أثناء اختبار المعدات.
- معدات المختبر: قياس درجة الحرارة في تجهيزات البحث.
لماذا يُستخدم مسار قياس الحرارة البصري؟
من المنظور الهندسي، توفّر السلسلة الضوئية خصائص عملية عدة:
- يمكن إبقاء نقطة القياس معزولة كهربائياً عن الجهاز.
- يتميز المسار البصري بمقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي.
- تناسب البيئات ذات الظروف الكهربائية الصعبة.
- قد يتيح الشكل الصغير للمسبار قياسات مدمجة في مواضع محددة.
هذه خصائص عامة وليست ضمانات. ويعتمد الأداء الفعلي على التنفيذ، بما في ذلك تصميم المجس والتركيب والجهاز.
ما الذي تستطيع وحدة التحويل قياسه وما الذي لا تستطيع قياسه؟
المحوّل نفسه يقيس درجة الحرارة
عادةً لا. يستشعر الحساس أو المجس الحرارة، ثم يعالج المحوّل الإشارة البصرية التي يعيدها المجس.
الليف بأكمله يقيس الحرارة
ليس في الاستشعار النقطي الفلوري. تُقاس الحرارة عند طرف الاستشعار، وينقل الليف الإشارات الضوئية بين الطرف والجهاز.
زيادة القنوات تحول النظام إلى DTS
لا. تظل القنوات المتعددة قياسات مستقلة عند نقاط منفصلة.
أي حساس ضوئي يتصل بأي وحدة تحويل
يعتمد التوافق على مبدأ الاستشعار وتصميم الجهاز.
محوّل القياس ونظام المراقبة يعنيان الشيء نفسه دائماً
لا. قد يشمل النظام نطاقاً أوسع بكثير من المحوّل وحده.
الخلاصة
محوّل قياس درجة الحرارة بالألياف الضوئية هو جزء الجهاز في سلسلة القياس؛ إذ يعالج الإشارة الضوئية الواردة من مستشعر متوافق ويحوّلها إلى بيانات قابلة للاستخدام عن درجة الحرارة.
لكل جزء من السلسلة دور محدد:
- المجس: يقيس النقطة المختارة.
- ليف ضوئي: ينقل الإشارات الضوئية.
- محوّل أو مزيل تضمين: يعالج الإشارة المرتدة.
- نظام المراقبة: يعرض بيانات الحرارة أو يسجلها أو يدمجها.
تختلف المصطلحات بين الشركات المصنّعة؛ لذلك يقل وزن الاسم المكتوب على ورقة البيانات عن وظيفة الجهاز. المهم هو توافق تقنية الاستشعار وعدد القنوات ومتطلبات القياس وواجهة النظام.
إذا تطلب المشروع جهاز قياس حرارة فلوريًا بالألياف الضوئية، يمكن لـ INNO مراجعة نوع الحساس وعدد القنوات وتوافق المجس ومتطلبات تكامل النظام.