Jak działa światłowodowy przetwornik temperatury

Światłowodowy przetwornik temperatury zamienia odpowiedź optyczną czujnika na wartość, którą można wyświetlić lub przesłać do sterowania. Sonda reaguje na temperaturę w miejscu pomiaru. Przyrząd wysyła światło wzbudzające przez włókno, odbiera sygnał powrotny i oblicza wynik. W układach fluorescencyjnych analizuje zależny od temperatury zanik luminescencji materiału umieszczonego na końcówce sondy, z użyciem zgodnego toru odczytowego.

INNO wykorzystuje punktowy, światłowodowy czujnik temperatury oparty na fluorescencji. Konwerter wzbudza materiał czujnikowy, odbiera jego fluorescencję zwrotną i wyznacza temperaturę końcówki sondy na podstawie zaniku fluorescencji.

Co to jest światłowodowy konwerter temperatury?

„Światłowodowy konwerter temperatury” to szerokie pojęcie wyszukiwawcze i inżynieryjne. Nie jest to ściśle ustandaryzowana nazwa urządzenia, rozpoznawalna jednakowo na całym świecie. Ogólnie odnosi się do przyrządu, który odbiera sygnał czujnika optycznego, przetwarza go lub demoduluje i przekształca wynik na wartość temperatury lub użyteczną moc wyjściową.

Różni producenci opisują podobny sprzęt jako konwerter, nadajnik, demodulator, interrogator, przyrząd pomiarowy, monitor lub host. Nazwy te nakładają się na siebie, ale nie zawsze są zamienne.

W zależności od konstrukcji instrumentu, konwerter może odpowiadać za:

• wzbudzenie optyczne elementu czujnikowego
• odbieranie zwróconego sygnału optycznego
• kondycjonowanie sygnału
• demodulacja informacji o temperaturze
• obliczanie temperatury
• przetwarzanie cyfrowe
• wyświetlacz lub wyjście danych

Nie każdy instrument obsługuje każdą funkcję. Niektóre jednostki zawierają wyświetlacz lokalny, podczas gdy inne wysyłają dane do oddzielnego hosta. Interfejsy takie jak Ethernet, RS485, analogowe wyjście prądowe czy styki przekaźnikowe są ogólnie powszechne w oprzyrządowaniu przemysłowym, ale to, czy dany konwerter je udostępnia, zależy od konkretnego instrumentu i konfiguracji interfejsu.

Światłowodowy czujnik temperatury i konwerter to różne elementy

Częstym źródłem nieporozumień jest traktowanie czujnika i przetwornika jako jednego urządzenia. Wykonują różne prace.

Czujnik lub sonda mierzy temperaturę w fizycznym punkcie. W systemie fluorescencyjnym dzieje się to na końcówce czujnika fluorescencji na końcu światłowodu. Światłowodowe czujniki temperatury są zazwyczaj pasywne w punkcie pomiaru: sonda nie zawiera elektroniki obliczającej temperaturę.

Konwerter, czyli demodulator, odbiera i przetwarza sygnał optyczny. Dostarcza światło wzbudzające, odczytuje zwrócony sygnał i oblicza z niego temperaturę.

Typowy łańcuch sygnałowy wygląda następująco:

 temperatura
   ↓
końcówka czujnika fluorescencyjnego
   ↓
światłowód
   ↓
zwrócony sygnał fluorescencji
   ↓
konwerter/demodulator
   ↓
wartość temperatury
   ↓
system wyświetlania / monitorowania / sterowania 

Ten łańcuch jest rdzeniem tematu. Końcówka przekształca temperaturę fizyczną w zmianę zachowania optycznego. Światłowód przenosi sygnały optyczne w obu kierunkach. Konwerter zamienia zwrócony sygnał optyczny z powrotem na liczbę, z której może skorzystać inżynier lub system sterowania.

Zasada działania końcówki pomiarowej została opisana w , czym jest światłowodowy czujnik temperatury i jak działa .

Jak działa konwersja temperatury fluorescencyjnego światłowodu

Fluorescencyjny światłowodowy czujnik temperatury wykorzystuje materiał fluorescencyjny na końcówce sondy, którego zachowanie emisji zależy od temperatury. Konwerter interpretuje to zachowanie. Poniższe kroki opisują ogólną sekwencję bez założenia żadnej konkretnej długości fali, wartości taktowania ani algorytmu, ponieważ różnią się one w zależności od projektu.

1. Wzbudzenie optyczne

Przyrząd wysyła światło wzbudzające przez światłowód w stronę sondy. Źródło światła i jego sterowanie stanowią część konwertera.

2. Końcówka czujnika fluorescencyjnego

Na końcu światłowodu materiał czujnikowy na końcówce sondy pochłania światło wzbudzające i jest wzbudzany.

3. Zanik fluorescencji

Materiał następnie emituje fluorescencję. Po zakończeniu wzbudzenia emisja z czasem zanika, a sposób jej zaniku zmienia się w zależności od temperatury materiału. To zachowanie rozpadu przenosi informację o temperaturze.

4. Zwrotny sygnał optyczny

Sygnał fluorescencji powraca ścieżką optyczną do instrumentu. To samo włókno zwykle obsługuje oba kierunki, chociaż dokładny układ optyczny zależy od projektu.

5. Demodulacja sygnału

Konwerter przetwarza zwrócony sygnał. Demodulacja oznacza tutaj wyodrębnienie informacji zależnych od temperatury, w tym przypadku zachowania zaniku, z surowego sygnału optycznego.

6. Obliczanie temperatury

Przyrząd przekształca zmierzone zachowanie zaniku fluorescencji na wartość temperatury, wykorzystując skalibrowaną zależność między zachowaniem zaniku fluorescencji a temperaturą. Kalibracja ta jest jednym z powodów, dla których czujnik i przyrząd muszą być kompatybilne.

7. Wyjście

Wynik temperatury można następnie wyświetlić, zarejestrować lub przesłać do innego systemu, w zależności od interfejsów udostępnianych przez przyrząd.

Ponieważ pomiar opiera się raczej na zachowaniu zanikania niż na jasności odbitego światła, jest w mniejszym stopniu zależny od prostych zmian natężenia w ścieżce optycznej. Jest to jeden z powodów, dla których do punktowego pomiaru temperatury stosuje się metody czasu życia fluorescencji.

Konwerter, nadajnik, demodulator i interrogator

Te cztery terminy często występują razem, a różnice dotyczą głównie nacisku. Producenci mogą używać ich w różny sposób, dlatego tabela opisuje typowe zastosowania, a nie ustalone definicje.

Obowiązują dwie przestrogi. Konwerter i nadajnik to nie dokładnie to samo, mimo że pojedynczy produkt może pełnić obie funkcje. Interrogator nie zawsze oznacza jedną konkretną architekturę: interrogator dla jednej metody wykrywania optycznego różni się od interrogatora zaprojektowanego dla innej.

W przypadku produktów, w których nacisk kładzie się na dostarczanie danych o temperaturze do innych systemów, zobacz światłowodowe przetworniki temperatury i hosty .

Instrumenty również występują w różnych formach fizycznych. Niektóre z nich to samodzielne jednostki, a inne to moduły wbudowane przeznaczone do integracji z większym sprzętem. Światłowodowe moduły i przyrządy do pomiaru temperatury obejmują szereg form dostępnych do użytku OEM i samodzielnego.

Co oznacza kanał w światłowodowym przetworniku temperatury?

Do wykrywania punktowego jeden niezależny punkt pomiarowy zwykle wymaga jednego kompatybilnego aktywnego kanału pomiarowego. Kanał to ścieżka, przez którą przyrząd wzbudza jedną sondę i odczytuje jej sygnał powrotny.

Zależność można podsumować jako:

 1 sonda ≈ 1 punkt pomiarowy ≈ 1 kompatybilny aktywny kanał 

Jako przykład koncepcyjny, pomiar w czterech niezależnych lokalizacjach fizycznych zwykle wymagałby czterech sond i co najmniej czterech kompatybilnych aktywnych kanałów. To jest tylko ilustracja. Nie wszystkie konwertery są zbudowane z taką samą liczbą kanałów, a liczba dostępnych kanałów zależy od konkretnego instrumentu.

Pomiar punktowy nie jest rozproszonym czujnikiem temperatury

Sonda fluorescencyjna mierzy temperaturę na końcówce czujnika. Światłowód pomiędzy sondą a przyrządem nie zapewnia automatycznie ciągłego profilu temperatury na całej swojej długości.

Posiadanie wielu kanałów nie powoduje zmiany systemu w rozproszony czujnik temperatury (DTS). Wiele sond zapewnia wiele niezależnych pomiarów punktowych, każdy powiązany ze znaną lokalizacją wybraną przez inżyniera. Technologie rozproszone wykorzystują różne zasady wykrywania i różne metody przesłuchań i wykraczają poza zakres podejścia INNO polegającego na wykrywaniu punktu fluorescencji.

Jak dane o temperaturze opuszczają konwerter

Gdy konwerter obliczy wartość temperatury, wartość tę można wykorzystać na kilka sposobów:

• wyświetlane lokalnie na instrumencie
• zalogowany do późniejszej analizy
• przesyłane cyfrowo
• wysłane do sterownika PLC
• wysłane do systemu SCADA
• zintegrowany z szerszym systemem monitorowania

To, które z nich są dostępne, zależy od konkretnego instrumentu i konfiguracji interfejsu. Kompaktowy moduł OEM może wysyłać dane cyfrowe do obsługi urządzenia głównego. Samodzielny przyrząd może zawierać własny wyświetlacz i porty komunikacyjne. Dostępne opcje należy potwierdzić dla każdego instrumentu, a nie zakładać.

Kiedy dane są przesyłane do większego systemu, który łączy w sobie wiele czujników, obsługę danych, alarmy i oprogramowanie, staje się on częścią światłowodowego systemu monitorowania temperatury . Konwerter dostarcza dane o temperaturze, a system monitorujący decyduje, co z nimi zrobić.

Elementy światłowodowego systemu pomiaru temperatury

Kompletny światłowodowy system pomiaru temperatury można opisać w oparciu o poniższe elementy. Nie każdy projekt wymaga każdego komponentu, a sposób ich spakowania jest różny.

Szersze wprowadzenie do całej technologii pomiarowej można znaleźć w artykule światłowodowy pomiar temperatury .

Światłowodowy konwerter temperatury a system monitorowania

Te dwa terminy są ze sobą powiązane, ale opisują różne zakresy.

Konwerter odczytuje, demoduluje i przetwarza sygnał czujnika. Jego zadaniem jest wytwarzanie danych o temperaturze na podstawie sygnałów optycznych.

System monitorowania to zwykle większa koncepcja na poziomie systemu. W zależności od projektu może obejmować wiele czujników, konwerter lub nadajnik, gromadzenie danych, wyświetlacz, alarmy, funkcje komunikacyjne, integrację oprogramowania i systemu. Konkretne funkcje różnią się w zależności od systemu.

Konwerter może stanowić jeden element systemu monitorowania, jednak konwertera nie należy traktować jako kompletnego systemu monitorowania. I odwrotnie, niektóre systemy monitorowania wykorzystują więcej niż jeden konwerter w różnych lokalizacjach pomiarowych.

Czy dowolny czujnik światłowodowy może współpracować z dowolnym konwerterem?

Nie, nie automatycznie. Kompatybilność zależy od kilku czynników:

• zasada wykrywania
• charakterystyka optyczna
• konstrukcja sondy
• interfejs złącza
• kalibracja przyrządu
• metoda przetwarzania sygnału
• konfiguracja kanałów

Sondy fluorescencyjne nie są powszechnie wymienne w przypadku różnych marek i projektów i nie można zakładać, że dany przyrząd odczytuje czujnik dowolnego producenta. Zależność kalibracyjna między zachowaniem optycznym sondy a temperaturą jest częścią dopasowania sondy i instrumentu.

Różne technologie wykrywania wymagają różnych zapytań

Konwerter przeznaczony do wykrywania czasu życia fluorescencji nie może automatycznie odczytywać czujników w oparciu o przesunięcie długości fali FBG, krawędź absorpcji GaAs, wykrywanie rozproszone Ramana lub inne zasady optyczne. Technologie te wykorzystują różne wzbudzenia optyczne, różne przetwarzanie sygnału i różne metody zapytań.

Na przykład światłowodowe czujniki temperatury GaAs wykorzystują inną zasadę pomiaru optycznego niż czujniki czasu życia fluorescencji. Porównanie tych dwóch podejść można znaleźć w artykule GaAs vs fluorescencyjne światłowodowe czujniki temperatury .

Jak wybrać światłowodowy konwerter temperatury

Poniższa lista kontrolna obejmuje główne punkty do przeglądu. Nie każdy projekt wymaga ich wszystkich.

• Technologia czujnika: potwierdza, że przyrząd został zbudowany pod kątem stosowanej zasady wykrywania, np. czasu życia fluorescencji.
• Liczba punktów detekcji: zlicza niezależne lokalizacje, które mają być mierzone.
• Wymagana liczba kanałów: dopasowuje liczbę kompatybilnych aktywnych kanałów do punktów wykrywania.
• Obsługiwany typ sondy: potwierdza, że przyrząd działa z zamierzoną konstrukcją sondy.
• Zakres pomiarowy wymagany przez aplikację: sprawdź, czy system pokrywa oczekiwany zakres temperatur.
• Wymagana dokładność: określa, czego aplikacja faktycznie potrzebuje.
• Wymaganie reakcji: należy wziąć pod uwagę, jak szybko należy śledzić zmiany temperatury.
• Zgodność złącza: potwierdza interfejs optyczny pomiędzy sondą a instrumentem.
• Interfejs danych: określa, w jaki sposób dane muszą opuścić przyrząd.
• Wymagania dotyczące wyświetlacza lokalnego: zdecyduj, czy potrzebny jest odczyt na przyrządzie.
• Integracja PLC / SCADA: potwierdza ścieżkę komunikacyjną do systemów sterowania lub nadzoru, jeśli jest to wymagane.
• Wymóg rejestrowania danych: decyduje, czy dane rejestruje przyrząd, czy oddzielny system.
• Środowisko instalacji: należy wziąć pod uwagę warunki wokół sondy i przyrządu.
• Wymagania OEM lub samodzielnego instrumentu: określają, czy urządzenie jest osadzone w innym sprzęcie, czy używane niezależnie.

Gdzie stosuje się światłowodowe konwertery temperatury?

Konwertery znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie stosowany jest światłowodowy tor pomiaru temperatury. Typowe obszary obejmują:

• Transformatory mocy: mierzą temperaturę uzwojenia lub temperaturę wewnętrzną, gdy punkt pomiarowy znajduje się w wymagającym środowisku elektrycznym.
• Silniki i generatory: pomiar temperatury w wybranych lokalizacjach wewnętrznych.
• Sprzęt wysokiego napięcia: odczyt temperatury w punktach wymagających izolacji galwanicznej.
• Sprzęt grzewczy RF i mikrofalowy: mierzący temperaturę w polach, które mogą zakłócać działanie czujników elektrycznych.
• Środowiska medyczne lub środowiska z silnym polem magnetycznym: odczyt temperatury, gdzie czujniki metalowe mogą być nieodpowiednie.
• Przemysłowe systemy testowe: zbierające temperatury punktowe podczas testowania sprzętu.
• Sprzęt laboratoryjny: pomiar temperatury w stanowiskach badawczych.

Dlaczego warto stosować łańcuch optycznego pomiaru temperatury?

Z inżynierskiego punktu widzenia tor optyczny oferuje kilka praktycznych właściwości:

• Punkt wykrywania może pozostać elektrycznie odizolowany od przyrządu.
• Optyczna ścieżka sygnału charakteryzuje się dużą odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne.
• Nadaje się do środowisk wymagających prądu.
• Mała geometria sondy może obsługiwać wybrane pomiary wbudowane.

Są to ogólne cechy, a nie gwarancje. Rzeczywista wydajność zależy od implementacji, w tym od projektu sondy, instalacji i instrumentu.

Co konwerter może, a czego nie może mierzyć

Przetwornik sam wykrywa temperaturę

Zwykle tak nie jest. Czujnik lub sonda mierzy temperaturę, a konwerter przetwarza sygnał optyczny zwracany przez sondę.

Całe włókno mierzy temperaturę

Nie dotyczy wykrywania punktu fluorescencji. Temperatura jest mierzona na końcówce czujnika, a włókno przenosi sygnały optyczne pomiędzy końcówką a instrumentem.

Więcej kanałów zmienia system w DTS

Nie. Wiele kanałów pozostaje niezależnymi pomiarami punktowymi.

Dowolny czujnik optyczny można podłączyć do dowolnego konwertera

Kompatybilność zależy od zasady wykrywania i konstrukcji instrumentu.

Konwerter i system monitorowania zawsze oznaczają to samo

Nie. Zasięg systemu może być znacznie większy niż samego konwertera.

Wniosek

Światłowodowy konwerter temperatury to część łańcucha pomiarowego po stronie przyrządu, która przetwarza sygnał optyczny z kompatybilnego czujnika temperatury i przekształca go w użyteczne dane dotyczące temperatury.

Każda część łańcucha ma odrębną rolę:

• Sonda: wykrywa wybrany punkt.
• Światłowód: przenosi sygnały optyczne.
• Konwerter/demodulator: przetwarza zwrócony sygnał.
• System monitorowania: wyświetla, rejestruje lub integruje dane dotyczące temperatury.

Terminologia różni się w zależności od producenta, więc nazwa w arkuszu danych ma mniejsze znaczenie niż to, co robi instrument. Liczy się kompatybilność technologii wykrywania, liczba kanałów, wymagania pomiarowe i interfejs systemu.

Jeśli projekt wymaga fluorescencyjnego światłowodowego przyrządu do pomiaru temperatury, INNO może pomóc w sprawdzeniu typu czujnika, liczby kanałów, kompatybilności sond i wymagań dotyczących integracji systemu.

Omów projekt dotyczący światłowodowego pomiaru temperatury