העיקרון הבסיסי של תרמומטריה באמצעות חומרים פלורסנטים

כמעט כל החומרים מציגים פלואורסצנטיות בתנאים מתאימים. ניתן להגדיר את הקרינה באופן תמציתי כפליטת אור כאשר חומר נחשף לקרינה אלקטרומגנטית. בעקבות ההתרגשות הראשונית, פליטה זו יכולה להימשך למשך זמן. פרק זמן זה הוא תוצר של אינטראקציות רבות המתרחשות ברמה האטומית וכמות האנרגיה הנספגת. גם עירור וגם עוצמת הפליטה מציגים שינויים אקספוננציאליים לאורך זמן. התנהגות כפולה תלוית זמן זו היא תכונה ייחודית שניתן להשתמש בה כדי לציין את המצב של מולקולות חומר ניאון.

מדענים גילו סוגים שונים של חומרים פלורסנטים שניתן לסמם אותם באלמנטים ספציפיים כדי להפוך את התנהגותם לתלויה מאוד במאפיינים פיזיים מסוימים, שיש להם משמעות מעשית עבור חישת יישומים. לְמָשָׁל, נמצא שניתן להשתמש בתכונות הפלורסנטיות של מטריצות גבישים מסוימות למדידת טמפרטורה, לַחַץ, לַחוּת, חַמצָן, ופחמן דו חמצני. ניתן לאמוד את כל התכונות הפיזיקליות הללו על ידי קביעה מדויקת של קבועי הזמן האקספוננציאליים של חומרים פלורסנטים ייחודיים. פותחה סדרה של חיישני טמפרטורה חסכוניים בסיבים אופטיים העושים שימוש בעקרונות אלו. יתרון בולט של חיישני סיבים אופטיים על פני טכנולוגיות חישה מתחרות הוא חסינותם המובנית בפני רעש והפרעות אלקטרומגנטיות, מכיוון שאין להם מוליכים מתכתיים המשמשים כאנטנות המשדרות זרם ומתח. זה הופך חיישני סיבים אופטיים פלורסנטים למתאימים במיוחד ליישום בהעברת כוח במתח גבוה, מיקרוגל, וסביבות פלזמה. בנוסף, טכנולוגיית תרמומטריית סיבים אופטיים מאפשרת שימוש זול בסיבי פלסטיק פולימריים בעלי ליבה גדולה ביישומים מתחת ל-150 מעלות צלזיוס. סיבי פלסטיק אלו הם חזקים ועמידים ביותר, והיו בשימוש נרחב בתחום הרכב, תַעֲשִׂיָתִי, ומגזרי התקשורת.

פתרונות חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים

חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים מורכבים מגששי סיבים אופטיים אחד או יותר המחוברים למכשירים אלקטרוניים הידועים כמשדרי טמפרטורה (נקראים גם מזגני אותות). חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים רב-ערוציים פותחו עבור יישומים כגון העברת כוח והפצה. שונה ממשדרי טמפרטורה קודמים של סיבים אופטיים, שהיו מכשירי מעבדה מגושמים ויקרים, מזגני אותות סיבים אופטיים דומים במראה ובהתקנה לצמדים תרמיים או RTD (גלאי טמפרטורת התנגדות) משדרים. הם מותקנים על מסילת DIN וכוללים יציאות אנלוגיות סטנדרטיות של 4-20mA, כמו גם MODBUS אפיק טורי RS-485 תעשייתי לתקשורת מכשירי שרשרת דייזי. הבדיקות האופטיות של חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים ניאון חולקים גם מראה ותחושה דומים לצמדים תרמיים סטנדרטיים ו-RTDs. העלות של חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים דומה ל-RTDs ושילובי משדרים מסחריים.

הדיוק והיציבות של חיישני סיבים אופטיים עולים על צמדים תרמיים מסורתיים ויכולים להתקרב ל-PRT (מדחום התנגדות פלטינה) ביישומי כיול. פתרונות זמינים עם יציבות ארוכת טווח של ±1°C, כמו גם מוצרים עם דיוק מוחלט של ±0.1°C.

ניטור טמפרטורת נקודה חמה בפיתול שנאי

חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים, לא מושפע לחלוטין מסביבות EMI/RFI וסביבות מתח גבוה, הם הבחירה האידיאלית לניטור נקודות חמות מתפתלות שנאי. מְדוּיָק, בזמן אמת, פותחו פתרונות חכמים לניטור טמפרטורת רשת עבור ציוד חשמל והפצה.

חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים הוכיחו את עצמם כפתרון מצוין למדידת טמפרטורת שנאי במתח גבוה ונחשבים כיום לשיטה המועדפת לניטור שנאים. היתרונות שחיישני סיבים אופטיים מביאים לשידור והפצה (ט&ד) לחברות יש משמעות כלכלית. על ידי ניטור הטמפרטורה של כל נקודה חמה מתפתלת שנאי, חברות חשמל יכולות להפעיל שנאים מהסוג היבש בשיא קיבולת מבלי להימתח לתנאי עומס יתר שעלולים לקצר משמעותית את תוחלת החיים של השנאי. יעילות זו בתפוקת ההולכה ותוחלת החיים יכולה לחסוך כספים משמעותיים מדי שנה, מה שהופך את יכולת הטמפרטורה של סלילה ישירה להכרח.

טכנולוגיית חישת טמפרטורה חסכונית של סיבים אופטיים הופכת ניטור טמפרטורת שנאי רשת חכם למשכנע יותר. בדיקות טמפרטורה של סיבים אופטיים מתוכננים עם חומרים בעלי חוזק דיאלקטרי גבוה, כגון PTFE וסיבי קוורץ מצופים בפוליאימיד, כך שהם יכולים לעמוד בטבילה ארוכת טווח בשמן שנאי ונפט במהלך תהליך הייצור. חיישני סיבים אופטיים המשתמשים במשדרי טמפרטורה אופטיים מיוחדים משדרים אותות לבדיקות המותקנות ישירות במיקומי נקודות חמות מפותלות שנאי. משדר הטמפרטורה בסיבים אופטיים מותקן בארון בקרה חיצוני, ופלט הטמפרטורה מוקלט לתוכנת ניטור בזמן אמת. עם חיישני טמפרטורה אופטיים מותקנים, מפעילים יכולים לפקח על העומס בזמן אמת,

ניטור טמפרטורת מתג

חיישני טמפרטורה חסכוניים בסיבים אופטיים מספקים רציף, ניטור בזמן אמת של טמפרטורות מתג בנקודות מגע קריטיות, המאפשר זיהוי מהיר של עומסי יתר ותקלות. משדרי טמפרטורה מספקים פלט אנלוגי ותקשורת RS-485 Modbus, אשר ניתן לשלב בקלות עם PLCs קיימים (בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות) ותוכנת ניטור מאסטר. חיישני טמפרטורה אופטיים מספקים שנים של חישה מדויקת, הבטחת פעולת מתג בטוחה ויעילה.

יצרני מתג כוח ברחבי העולם משתמשים בחיישני סיבים אופטיים לניטור טמפרטורת רשת חכמה של מדיה קריטית וציוד מתג מתח גבוה. חיישנים אלה מספקים נתוני טמפרטורה בזמן אמת, המאפשר למפעילים למקסם את יעילות העומס ולאזן מתחים תרמיים שעלולים להוביל לכשלים קטסטרופליים. לאורך זמן, נקודות מגע של מתג, פסי צבירה, ונקודות חיבור קריטיות מפתחות נקודות חמות שאוכלות לאט, וכתוצאה מכך התנגדות מוגברת. אם לא מסומן, אפילו עלייה קטנה בהתנגדות יכולה להפוך במהירות לבלתי מבוקרת, שכן התנגדות גבוהה יותר מייצרת מוליכים חמים יותר, אשר בתורם מייצרים התנגדות גבוהה יותר. לכן, ט&חברות D מציינות לעתים קרובות את הדרישה לניטור רציף של טמפרטורת מתג כדי לייעל את לוחות הזמנים לתחזוקה ולהאריך את חיי הציוד.

עם זאת, אתגר אחד הוא למצוא טכנולוגיה חסכונית עבור יישומי חישת מתח גבוה. RF שונים (תדר רדיו) אלחוטי ו-IR (אינפרא אדום) נעשה שימוש במדחום, אבל לכל אחד יש את החסרונות שלו. חיישני משדר/מקלט RF סובלים מרעש והפרעות טבועות בסביבות מתח גבוה ועשויים לאבד את האות או להציג עליות טמפרטורה במהלך פעולת המתג, מה שעלול להוביל לאזעקות שווא. יֶתֶר עַל כֵּן, שכן חיישנים אלה משתמשים ברכיבים אלקטרוניים, טווח הטמפרטורות שלהם מוגבל בדרך כלל מתחת ל-120 מעלות צלזיוס לשימוש ארוך טווח. חיישני טמפרטורה אינפרא אדום מרוחקים דומים, מכיוון שהם דורשים מיגון של חוטים ונקודות התקנה מיוחדות, ויישור מרחבי מדויק עם פני האובייקט הנחושים. ידוע כי מדי חום אינפרא אדום מדווחים על שינויי טמפרטורה עקב הצטברות אבק ושינויי פליטות הנגרמים על ידי קורוזיה קלה של פני השטח, במיוחד על משטחי מתכת בהירים כמו פסי נחושת. הטמפרטורה המדווחת יכולה להיות מעוותת על ידי אנרגיית אינפרא אדום המשתקפת מחפצים מסביב, ושינויים פתאומיים בטמפרטורת הסביבה יכולים גם הם לגרום לשגיאות מדידה.

חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים אינם נתקלים באף אחד מהאתגרים הטכניים הקשורים למדחום אלחוטי ואינפרא אדום. ניתן לנתב חיישני סיבים אופטיים ישירות לנקודות ניטור קריטיות של מתג. חיישני טמפרטורה אופטיים מחוברים בצורה נוקשה למקומות חמים ואינם מושפעים לחלוטין מהפרעות אלקטרומגנטיות ומתפרצי רעש הנגרמים על ידי מתגי מתח גבוה. חיישני סיבים אופטיים חזקים ועמידים, ניתן לייצר באורכים שונים, ועובדים כמו צמדים תרמיים מסורתיים. הכי חשוב, כל משדר חיישן טמפרטורה אופטי יכול לנטר שלושה שלבים, מספק פלט אנלוגי ותקשורת RS-485 Modbus RTU דיגיטלית. בדיקות טמפרטורה סיבים אופטיים מתאימים מאוד לניטור טמפרטורת מיתוג רשת חכמה.

ניטור טמפרטורת סלילה של גנרטור

עַכשָׁיו, ניטור טמפרטורה מקוון של סיבים אופטיים נפוץ עבור ציוד מחולל מתח נמוך ומתח גבוה כאחד. חיישני סיבים אופטיים מספקים פתרון חסכוני ויעיל לניטור טמפרטורה בזמן אמת, המאפשר לציוד לפעול בביצועים מיטביים ולהאריך את תוחלת חייו.

חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים מותקנים כיום בדרך כלל בציוד מנוע וגנרטור גדול כדי לספק ניטור בזמן אמת והגנה תרמית של פיתולי ומסבים סטאטור קריטיים. טמפרטורת ההפעלה הבטוחה של פיתולי מכונות מסתובבים מוגבלת על ידי כמות החום שחומר הבידוד יכול לעמוד בו לפני שהוא מתכלה בסופו של דבר.. טמפרטורה זו וקצב השפלה משתנים עם קטגוריות שונות של חומרי בידוד. ירידת בידוד בטמפרטורה נתונה היא פרופורציונלית בערך למשך הזמן בו הטמפרטורה עוברת סף קריטי. עד לאחרונה, RTDs (גלאי טמפרטורת התנגדות) היו בדרך כלל משובצים בפיתולים כדי לספק ניטור רציף, אם כי היו קיימים אי דיוקים שנגרמו מהפרעות EMI/RFI. עַכשָׁיו, ניתן להתקין חיישני טמפרטורה חסכוניים של סיבים אופטיים במקום שבו מתח גבוה ושדות אלקטרומגנטיים מתחלפים מהווים בעיות עבור חיישני פיתול RTD מסורתיים. חיישני סיבים אופטיים יכולים להיות מוכנסים בין פיתולי המנועים והגנרטורים למדידת טמפרטורה רציפה כדי להגן על בידוד ולהאריך את לוחות הזמנים של התחזוקה. על ידי התקנת חיישני טמפרטורה אופטיים, מפעילים יכולים לפקח על העומס בזמן אמת ולמקסם את היעילות האנרגטית והכלכלית. יעילות אנרגטית טובה יותר היא יתרון לעסקים ומועילה לסביבה.

ניטור טמפרטורה של MRI

יישומי מדעי החיים שונים ויישומי ניטור חולים דורשים חישת טמפרטורה של סיבים אופטיים ברמת דיוק גבוהה. בדיקות טמפרטורה של סיבים אופטיים בודדים ורב-ערוציים מוצעים עבור MRI (הדמיית תהודה מגנטית), תמ"ג (הדמיית תהודה מגנטית גרעינית), ו-RF (תדר רדיו) סביבות, כולל בדיקות טמפרטורה חד פעמיות בעלות נמוכה עם תגובה מהירה ודיוק מעולה.

יישומים שונים של מדעי החיים מסתמכים על חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים עבור חישה דיוק גבוהה בסביבות שאינן חיוביות עבור מדי חום סטנדרטיים ו-RTDs (גלאי טמפרטורת התנגדות). שימוש אחד בחיישני סיבים אופטיים הוא ב-MRI, מִספָּר, וסביבות MRT לניטור חולים, שבו שדות מגנטיים גבוהים במיוחד בשילוב עם RF פועם (תדר רדיו) אנרגיה אוסרת על שימוש בחיישני מתכת. חיישני הסיבים האופטיים של OSENSA עשויים מחומרים לא מתכתיים ומתאימים מאוד לניטור טמפרטורת גוף המטופל כדי להבטיח שקצב הספיגה הספציפי של הרקמה לא יעלה על רמות הרס. חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים יכולים לשמש גם כדי לנטר את הטמפרטורות הנמוכות של קירור מגנטים מוליכים-על.

מגוון חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים בעלי דיוק גבוה בגדלים וחומרים שונים זמינים, מתאים מאוד ל-MRI ו-CT (טומוגרפיה ממוחשבת של רנטגן) לימודים. בדיקות סיב אופטי עשויות מחומרים שקופים בקרני רנטגן ומחברים לא מגנטיים, תואם באופן מלא בחדרי סריקת MRI ו-CT. בנוסף, תגובה מהירה, זמינים בדיקות סיבים אופטיים בקוטר קטן במיוחד, תוכנן לעמוד בדרישות של יישומים תובעניים רבים.

בקרת טמפרטורה ותהליכים של צ'אק מוליכים למחצה

חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים בעלי דיוק גבוה מתוכננים לעמוד בדרישות המחמירות של יישומי בקרת תהליכים מוליכים למחצה. פתרונות OEM מותאמים אישית המציעים תגובה מהירה ליישומים דיאלקטריים וחריטת מוליכים מסופקים עבור חישת טמפרטורה אופטית מגע וגם ללא מגע. חיישני סיבים אופטיים משובצים בתוך מספר אזורים של צ'אקים אלקטרוסטטיים כדי לספק שליטה מקסימלית ואחידות תרמית.

יישומי עיבוד פרוסות מוליכים למחצה רבים מסתמכים על טמפרטורת סיבים אופטיים חיישנים לבקרת תהליכים מדויקת ב-RF גבוה (תדר רדיו) וסביבות פלזמה. ביישומי עיבוד טיפוסיים, פרוסות סיליקון מונחות על צ'אק אלקטרוסטטי המחומם ומקורר במהירות בתוך סביבת פלזמה. חיישני טמפרטורה של סיבים אופטיים משובצים בבסיס הצ'אק האלקטרוסטטי, מציע דיוק גבוה ותגובה מהירה לבקרת תהליכים קפדנית. כל צ'אק אלקטרוסטטי מחולק למספר אזורים, מצריך חיישני טמפרטורת סיבים אופטיים מרובים כדי למקסם את אחידות הטמפרטורה על פני שטח הפרוסים. יישומי מוליכים למחצה שמשתמשים בדרך כלל בסוג זה של התקנה הם תהליכי תחריט דיאלקטריים ומוליכים.

עבור שקיעת אדים כימית פלזמה משופרת (EPCVD) תהליכים, כורי ראש מקלחת משמשים לפיזור גזי תגובה בכל תא העיבוד תוך הפעלת כוח RF חזק. ביישומים אלו, חיישני טמפרטורת סיבים אופטיים משמשים לשליטה בטמפרטורת ראש המקלחת ולניטור טמפרטורות דופן כדי למזער השקיעה על משטחי החדר. חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים פותחו כדי לתמוך בתהליכי מוליכים למחצה חדישים שונים. החיישנים כוללים מבנה גיאומטרי ללא מגע, עם חומרי חישה המוטבעים בבסיס הצ'אק האלקטרוסטטי, בעוד שהסיבים האופטיים ממוקמים מרחוק. שיטה זו ממקסמת את זמני התגובה ומבטלת הפסדי הולכת גזע. זה גם מפשט את ההחלפה והשיפוץ של קולטים אלקטרוניים.

בקרת מיקרוגל וחימום אינדוקטיבי

חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים רב-ערוציים מספקים פתרון חסכוני ונוח לניטור טמפרטורה בתהליכי מיקרוגל תעשייתיים, כולל כימיה בעזרת מיקרוגל, עיקור במיקרוגל, וסינטר מיקרוגל. בדיקות טמפרטורה אופטיות עבור סביבות מיקרוגל בנויות מחומרים המציעים תאימות כימית וביולוגית מירבית, או מפלדת אל חלד חזקה וקרמיקה בטמפרטורה גבוהה.

חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים חסינים מטבעם מפני קרינת מיקרוגל ושדות אלקטרומגנטיים בתדר גבוה. סביבות מיקרוגל המשתמשות בחיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים כוללות תנורי מיקרוגל תעשייתיים לעיבוד וייבוש מזון, תנורי מיקרוגל להמסת זכוכית, ולייבוש נייר, טקסטיל, או עץ. יישומים אחרים כוללים סינטר מיקרוגל של קרמיקה ומכשירי שיניים, עיקור במיקרוגל, והדברה במיקרוגל.

בדיקות טמפרטורה סיבים אופטיים שפותחו ניתנות להתאמה אישית עבור מגוון יישומי מיקרוגל וכבשן תעשייתיים. הטכנולוגיה מאפשרת גם מדידות טמפרטורה אופטיות לטווח קצר ללא מגע ויכולה למדוד טמפרטורות החורגות מסף גבוה מאוד.

מחממי אינדוקציה ותנורים משתמשים בשדות אלקטרומגנטיים מתחלפים בעוצמה גבוהה כדי לחמם במהירות עצמים מוליכים. דוגמה לכך היא השימוש בחימום אינדוקציה של חבית ו-in-mold עבור ציוד הזרקה. תנורי חימום אלו פועלים בתדרים הנעים בין 5 עד 100kHz ויכול לצרוך חשמל מ 10 עד 40 קילוואט. חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים בדרגה תעשייתית מתאימים במיוחד ליישומים אלה בשל חוסנם בפני אנרגיה אלקטרומגנטית חזקה, אמינות גבוהה, וזמני תגובה מהירים. משדרי טמפרטורה רב ערוציים (מזגני אותות) עם יציאות אנלוגיות של 4-20mA ניתן לשלב בקלות בציוד בקרת תהליך הזרקה.

מחקר וחינוך חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים

פעילויות מחקר ופיתוח הדורשות פתרונות חישת טמפרטורה מדויקים של סיבים אופטיים. ניתן להתאים ולכייל בדיקות תוכנה וסיבים אופטיים עבור יישומי מעבדה ובדיקות שונים. חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים נבחרים לעתים קרובות עבור יישומי מחקר בשל חסינותם לשדות אלקטרומגנטיים חזקים, גַרעִינִי, וקרינת רנטגן. בשל הגמישות וקלות השימוש שלהם, חיישני סיבים אופטיים הם הבחירה האידיאלית עבור יישומי מחקר. כל שעליך לעשות הוא להתקין את התוכנה ולחבר את כבל ה-USB כדי להתחיל בניטור אופטי של הטמפרטורה. מהנדסי תמיכה באפליקציות יספקו סיוע ידידותי, ולאפליקציות תובעניות יותר, ניתן להציע שירותי ייעוץ הנדסי.

חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים מתאימים מאוד לעבודת מעבדה של תלמידים ומספקים פעילויות חינוכיות ייחודיות למורים לפיזיקה, כִּימִיָה, ביולוגיה, אֶלֶקטרוֹנִיקָה, ומכשור. תוכנה מתקדמת מאפשרת רישום טמפרטורה פשוט וכיול בעלות נמוכה.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין