st. kpt. dr inż . Piotr KUSTRA

Zakład Technicznych Systemów Zabezpieczeń

SGSP

ŚWIATŁOWODOWE CZUJKI CIEPŁA

W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania światłowo-

dów jako czujek temperatury, a w szczególności wykorzystania

techniki światłowodowej w dziedzinie detekcji pożarów.

The article presents possibilities of optical fibre use in heat

detectors, especially the use of optical fibre technique in fire detec-

tion.

Poprawna ochrona z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego obiektów

w trudnych warunkach środowiskowych zawsze stanowiła poważny problem.

Obecność agresywnych środków chemicznych, ograniczony dostęp do chronionych

przestrzeni, wysoki poziom radiacji, silne pola elektromagnetyczne ograniczają

w zasadniczy sposób możliwości stosowania klasycznych metod detekcji pożaru.

W wielu przypadkach przy monitorowaniu rozległych struktur inżynierskich (tune-

le drogowe, garaże podziemne, tunele kablowe itp.) jedynie zastosowanie czujek

światłowodowych z rozłożoną detekcją temperatury pozwala na poprawną detekcję

i sygnalizację zagrożenia pożarowego. Związane jest to z budową i zasadą prze-

twarzania sygnału pierwotnego, jakim jest czujnik światłowodowy.

W czujniku światłowodowym zmiana temperatury otoczenia jako wielkość

wejściowa przetwarzana jest na odpowiedni sygnał optyczny, który w przetworni-

ku fotoelektrycznym zamieniany jest na sygnał elektryczny. W artykule omówione

zostaną dwa rodzaje czujek światłowodowych. W pierwszym przypadku przetwor-

nik światłowodowy wykorzystuje mechanizm rozpraszania światła od odkształco-

nych powierzchni światłowodu. Wykorzystuje się przy tym parametr pomiarowy

δ

[ A δ

/ t ω

] . Parametr ten reprezentuje zmianę w czasie amplitudy mocy optycznej

rozproszenia wstecznego typu Reyleigha (lub zmianę strat transmisji w czujniku

z dwustronnym dostępem). Taki czujnik może mierzyć zarówno oddziaływanie pól

statycznych, jak i zmiennych w czasie. W obu tych przypadkach pozostaje problem

kalibracji mocy optycznej sygnału i eliminacji wpływu dryftu mocy optycznej

źródła. Czujniki te znane są jako reflektometryczne OTDR (Optical Time Domian

Reflectometry), w tym przypadku wielkością pomiarową jest lokalna zmiana strat

rozproszenia wstecznego wywołana oddziaływaniem siły zewnętrznej na zgięcie

(odkształcenie) światłowodu. Impuls świetlny pobudza światłowód. Światło na

drodze propagacji ulega rozproszeniu Rayleigha. Część rozproszonej mocy

optycznej mieszcząca się w aperturze światłowodu rozchodzi się jako impuls

wsteczny [2, 5, 6]. W drugim zaś rodzaju czujki światłowodowej wykorzystywane

jest zjawisko rozpraszania światła na cząstkach elementarnych, które w fizyce zna-

ne jako rozpraszanie Ramana.

Jako pierwsza zostanie omówiona czujka wykorzystująca zjawisko rozprasza-

nia wywołane mechanicznym odkształceniem powierzchni światłowodu. Czujka ta

popularność zdobyła pod nazwą Fibrolaser 1. Zasadę działania omawianej czujki

przedstawiono na rys. 1.

lustro

światłowód

oplot przewężający się w wysokiej temp.

źródło

światła

laserowe

przewężenie

światłowodu

pożar

fotodetektor

impulsowy strumień

światła źródła laserowego

impulsowy strumień światła odbity od płaszczyzny

zamykającej światłowód

pomiar czasu opóźnienia

impuls odbity od miejsca przewężenia

∆ T( ∆ l )

T

czas opóźnienia

Rys. 1. Schemat ideowy oraz zasada działania czujki ciepła − ś wiatłowodowej [1]

Jak pokazano na rys. 1., światłowodowa czujka ciepła jest optoelektronicznym

detektorem pożaru. Składa się ona z lasera emitującego impulsy o stałym natężeniu

światła, światłowodu specjalnej konstrukcji, lustra półprzepuszczającego światło

oraz układu pomiarowego (kontrolera). Czujnikiem temperatury w tym przypadku

jest światłowód umieszczony w oplocie wykonanym z włókien termokurczliwych

(aramidowych-kevlarowych). Całość umieszczona jest w rurce metalowej. Prze-

strzeń pomiędzy światłowodem a rurką wypełniona jest woskiem w celu ochrony

światłowodu przed narażeniami mechanicznymi pochodzącymi z chronionego

otoczenia. Taka konstrukcja światłowodu pozwala na bezawaryjną pracę, jak rów-

nież powoduje, że nie są potrzebne jakiekolwiek czynności serwisowe podczas

eksploatacji światłowodu. W warunkach braku zagrożenia pożarowego strumień

światła laserowego wprowadzonego do światłowodu ulega pełnemu wewnętrzne-

mu wielokrotnemu odbiciu od jego powierzchni bocznej i od jego skrajnej płasz-

czyzny zamykającej światłowód i po odbiciu przez zwierciadło półprzepuszczalne

kierowany jest na fotodetektor. Po wzmocnieniu impulsy wyjściowe fotodetektora

podawane są do licznika impulsów spełniającego rolę czasomierza. Na wejście

tego samego licznika impulsów podawany jest sygnał elektryczny bezpośrednio z

generatora zasilającego źródło światła (laser).

Opóźnienie strumienia światła powrotnego i padającego na drodze optycznej,

jaką jest światłowód, jest stałe i zależne tylko od dwukrotnej długości światłowo-

du, jak również od prędkości, z jaką rozprzestrzenia się światło na drodze optycz-

nej. Na rys. 1. pokazano to jako czas opóźnienia T pomiędzy dwoma strumieniami

światła padającego i powrotnego (odbitego). W warunkach pożaru strumień ciepła

powstały podczas procesu spalania podgrzewa światłowód. W miejscu podgrzania

światłowód ulegnie miejscowemu odkształceniu (jest to proces odwracalny) pod

wpływem działania sił ściskających powstałych w oplocie termokurczliwym.

W miejscu odkształcenia światłowodu strumień światła padającego ulegnie częś-

ciowemu rozproszeniu, zaznaczono to na rys. 1. linią przerywaną.

Druga (znacznie większa) część strumienia dociera do płaszczyzny skrajnej

zamykającej światłowód, zaznaczono ją na tymże rysunku linią ciągłą. Obydwa

strumienie świetlne podawane na wejście fotodetektora i po zamianie na sygnały

(impulsy) elektryczne podawane są na wejście układu pomiaru czasu [1]. Czas

opóźnienia pomiędzy strumieniem światła padającego i powrotnego (odbitego od

miejsca przewężenia) w warunkach pożaru zaznaczono na rys. 1. strzałką oraz

symbolem ∆T(∆l) . Symbolu ∆T(∆l) użyto, gdyż czas opóźnienia jest funkcją

drogi przebytej przez strumień światła. Droga ta jest równa podwojonej długości

światłowodu, licząc od jego początku do miejsca przewężenia powstałego w wyni-

ku oddziaływania wysokiej temperatury. Czas opóźnienia zależał będzie od miej-

sca wystąpienia przewężenia. Gdyby światłowód uległ podgrzaniu w połowie jego

długości, to czas opóźnienia ∆T(∆l) wiązki światła odbitego od miejsca przewę-

żenia będzie równy połowie czasu opóźnienia ∆T pomiędzy strumieniami padają-

cym i powrotnym w warunkach normalnych. Częstotliwość impulsów świetlnych

jest tak dobrana, aby można było uzyskać identyfikację miejsca odkształcenia

(stresu) kabla światłowodowego w wysokiej temperaturze z dokładnością do 1−2

metrów, przy długości kabla światłowodowego nie przekraczającej 1500 m [1].

Omawiana technika pomiaru natężenia strumienia światła rozpraszania

wstecznego wywołanego defektem struktury światłowodu znajduje szerokie zasto-

sowanie w telekomunikacji światłowodowej w celu lokalizacji uszkodzeń linii

światłowodowej oraz do oceny jakości połączeń odcinków linii światłowodowej.

Znana jest pod nazwą reflektometrii w dziedzinie czasu [3, 5]. Detektor temperatu-

ry światłowodowej czujki ciepła cechuje się praktycznie całkowitą odpornością na

wpływy zakłóceń pochodzących od pól elektromagnetycznych, wilgotności, zmia-

ny ciśnienia, zmiany temperatury otoczenia. Wykazuje również wysoką odporność

na oddziaływania chemiczne, zabrudzenia pochodzące z otaczającego środowiska,

np. w tunelach drogowych. Wymienione wyżej zalety omawianej czujki wynikają

stąd, że przetwornikiem pierwotnym temperatury jest w tym przypadku układ

optyczny (światłowód–szkło), który jest niewrażliwy na te narażenia.

Wadą powyższego rozwiązania jest jednakowa wrażliwość na bodźce pocho-

dzące od źródła ciepła, jak również na oddziaływanie czynników mechanicznych

takich jak drgania mechaniczne podłoża, do którego zamocowana jest czujka świa-

tłowodowa. Ten stan rzeczy był przyczyną wielu fałszywych alarmów. Szczególnie

było to kłopotliwe w zabezpieczeniu tuneli komunikacyjnych, jak również

w przemyśle, gdzie wibracje podłoża są zjawiskiem codziennym.

Kłopoty z opanowaniem fałszywych alarmów doprowadziły do zaprzestania

produkcji i stosowania czujek światłowodowych tej konstrukcji. Innym rodzajem

liniowej czujki światłowodowej jest czujka wykorzystująca zjawisko rozpraszania

Ramana, popularnie nazywana czujką Fibrolaserową 2. Przetwornik pierwotny

temperatury jest zbudowany ze światłowodu (szkła kwarcowego), w którym wyko-

rzystywane jest zjawisko rozpraszania przez cząstki elementarne.

W 1923 r. A.G. Smekal zwrócił uwagę, że w promieniowaniu rozproszonym

przez cząstki elementarne powinny pojawić się obok fotonów o częstości promie-

niowania padającego νo fotony o częstościach ν ± ν o. W 1928 r. fizyk hinduski

Ch.V. Raman potwierdził doświadczalnie przewidywania A.G. Smekala, obserwu-

jąc rozproszenie w cieczy (benzenie). Fizycy rosyjscy G.S. Landsberg i L.I. Man-

delsztam potwierdzili obecność fotonów o częstościach ν ± ν o obok częstotliwości

podstawowej νo w widmie światła rozproszonego, a dotyczącego rozproszenia w

kryształach kwarcu. Sukces powyższych doświadczeń ugruntował podstawy me-

chaniki kwantowej, niepowodzenie zaś mogło je obalić.

Rozproszone widmo ramanowskie charakteryzuje się bardzo małą wartością

natężenia światła, stąd przez długie lata zjawisko to nie znalazło praktycznego

zastosowania. Dopiero technologia lat dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku

pozwoliła na praktyczne wykorzystanie tego od dawna znanego zjawiska fizyczne-

go. Wykorzystanie zjawiska Ramana w technice wykrywania pożaru znane jest

jako liniowa czujka temperatury Fibrolaser 2.

Mechanizm rozpraszania ramanowskiego jest następujący: padające promie-

niowanie elektromagnetyczne (foton) indukuje w cząsteczce moment dipolowy

→

→

µ i = α E ,

gdzie α jest polaryzowalnością cząsteczki, czyli miarą zdolności do deformacji

rozkładu jej ładunków w polu elektrycznym.

Polaryzowalność jest tym większa, im słabiej związane są elektrony zewnętrz-

nych powłok z jądrami atomów. W czasie drgania cząsteczki powodującego perio-

dyczne zmiany jej struktury, zmienia się również polaryzowalność. Z powyższego

wynika, że jest ona funkcją współrzędnych q opisujących drgania cząsteczki:

α = α ( q )

Periodycznym zmianom współrzędnych q odpowiadają zmiany periodyczne

α (q), w przybliżeniu harmonicznym

α ( q ) = α cos 2πν t ,

o

gdzie ν jest częstością drgania, np. drgania normalnego w przypadku cząstek wie-

loatomowych.

Składowa pola elektrycznego fali E też zmienia się periodycznie:

E = E cos 2πν t

o

o , a więc indukowany w cząsteczce przez falę elektromagnetyczną

moment dipolowy µ i wynosi:

µ = α E cos 2πν t cos 2πν t

1

o

o

o

Stosując znany wzór trygonometryczny pozwalający zamienić iloczyn cosinu-

sów na ich sumę, otrzymamy następujące wyrażenie

1

µ = α E [cos 2π (ν −ν t) + cos 2π (ν +ν t) ]

1

o

o

o

o

2

Drgający indukowany moment dipolowy ma więc składowe ν −

o ν i ν o+ν.

Przedstawiony mechanizm rozpraszania ramanowskiego jest bardzo uproszczony.

Pełny opis teoretyczny tego zjawiska daje mechanika kwantowa. Schemat pozio-

mów energetycznych wynikających z rozważań mechaniki kwantowej przedsta-

wiono na rys. 2. Fotony padającego promieniowania o częstości ν o ulegają rozpro-

szeniu na cząsteczkach. Gdy po rozproszeniu promieniowania cząsteczka pozostaje

w tym samym stanie energii, to mamy wówczas do czynienia z rozpraszaniem bez

zmiany długości fali, któremu odpowiada środkowa linia ν o w dolnej części rys. 2.

Zdarza się jednak, że cząsteczka po rozproszeniu znajduje się na wyższym pozio-

mie rotacyjnym lub oscylacyjnym i rozproszony foton ma częstość zmniejszoną

o różnice energii rotacyjnych lub oscylacyjnych poziomów energetycznych.

Takiemu rozpraszaniu odpowiada linia ν −

o ν w dolnej części rys. 2. zwana li-

nią stokesowską. Jeżeli natomiast przed rozproszeniem cząsteczka znajdowała się

we wzbudzonym stanie rotacyjnym lub oscylacyjnym, to możliwe jest, że po roz-

proszeniu znajdzie się w stanie podstawowym. Rozproszony foton zwiększy swoją

częstość o różnice energii hν rotacyjnych lub oscylacyjnych poziomów energe-

tycznych. Odpowiada mu linia ν o+ ν pokazana w dolnej części rys. 2., zwana linią

antystokesowską.

Ponieważ we wzbudzonym stanie rotacyjnym, a zwłaszcza oscylacyjnym, jest

znacznie mniej cząstek niż w stanie podstawowym, przejścia antystokesowskie są

znacznie rzadsze, a linie im odpowiadające mają mniejsze natężenie [3].

V =3

V=2

V=1

ν −

o ν ν o νo+ ν

przejścia

przejścia

stokesowskie

antystokesowskie

Rys. 2. Schemat poziomów energetycznych i widmo Ramana czą steczki dwuatomowej; linią

przerywaną zaznaczono poziom niestacjonarny [3]

Idea wykrywania temperatury z wykorzystaniem zjawiska rozproszenia Ra-

mana przedstawiona została na rys. 3. [7]. Czujka składa się ze światłowodu wy-

konanego ze szkła kwarcowego, budowa którego charakteryzuje się przestrzenną

strukturą sieciową. Intensywność drgań węzłów sieci krystalicznej zależna jest od

temperatury otaczającego go środowiska. Źródłem światła jest w tym przypadku

laser o jednoprążkowej barwie (o długości fali równej 980 nm). Strumień światła

lasera oddziałuje na elektrony w atomach drgających węzłów sieci krystalicznej

w sposób ciągły, zgodnie z mechanizmem rozpraszania Ramana. Zgodnie z przed-

stawioną teorią w widmie światła rozproszonego pojawią się trzy prążki:

♦ prążek o częstotliwości ν o równej częstotliwości światła padającego (rozpra-

szanie Rayleygha);

♦ prążek o częstotliwości równej ν o+ ν, tzw. linia antystokesowska;

♦ prążek o częstotliwości równej ν −

o ν, tzw. linia stokesowska [4].

W metodzie OTDR opisanej w pierwszej części artykułu wykorzystuje się

echa impulsów świetlnych wprowadzanych do światłowodu, tak więc poziom roz-

praszania, jak również jego umiejscowienie są określone na podstawie różnicy

w czasach propagacji światła emitowanego oraz fali powrotnej. W porównaniu

z rozpraszaniem Rayleigha sygnał powstający w wyniku rozpraszania ramanow-

skiego (prążki o częstości wyższej i niższej od częstości światła padającego) jest

około 1000 razy słabszy. W odróżnieniu od metody OTDR zastosowana w czujce

Fibrolaser 2 metoda OFDR (ang. Optical Frequency Domian Refectometry) wyko-

rzystuje pomiar z zastosowaniem optycznego reflektometru w domenie częstotli-

wości. W przypadku metody OFDR informacje o lokalnych zmianach temperatury

uzyskuje się tylko po pełnym okresie pomiarowym potrzebnym do zmierzenia

sygnału rozpraszania wstecznego w funkcji częstotliwości (pomiar wektorowy –

zarówno fazy, jak i amplitudy) oraz wykonaniu odpowiednich transformacji

Fouriera.

Układ pomiaru temperatury

Światłowód

Moduł optyczny

Źródło światła laserowego

Filtr

widmowy

Układy sterowania

Odbiornik

Linie

Linie

Wiązka

stokesowskie

antystokesowskie odniesienia

Generator

częstotliwości

Mieszacz

Źródła ciepła

w.cz.

Mikroprocesor

Uśrednianie sygnału

Interfejs

Rys. 3. Schemat ideowy przedstawiają cy zasadę działania liniowej ś wiatłowodowej czujki ciepła z wykorzystaniem rozpraszania Ramana [7]

Podstawowe zalety metody OFDR to quasi-ciągła praca lasera oraz wąskie

pasmo detekcji sygnału optycznego rozpraszania wstecznego. Metoda ta w porów-

naniu z techniką impulsową pozwala uzyskać dużo wyższy stosunek sygnału do

szumu. Niestety, w tej metodzie wymagane jest wykonanie technicznie trudniej-

szego pomiaru rozpraszania ramanowskiego (wektorowego pomiaru fazy i ampli-

tudy), jak również przetwarzania sygnału z wykorzystaniem szybkiej transformaty

Fouriera (FFT). Z tego powodu stosowane pomiarowe układy elektroniczne muszą

się charakteryzować dobrą liniowością. Metodę OFDR opracowano dla potrzeb

pomiarów o wysokiej rozdzielczości stosowanych w badaniach właściwości świa-

tłowodów.

Na rys. 3. zamieszczono schemat ideowy systemu do pomiaru temperatury

z wykorzystaniem rozpraszania ramanowskiego oraz metody OFDR pomiaru sy-

gnału optycznego.

Omawiany system składa się z jednostki analizującej (generatora częstotliwoś-

ci, źródła światła laserowego, modułu optycznego, mieszacza w.cz., odbiornika

oraz układu mikroprocesorowego) i światłowodu kwarcowego wielomodowego

pełniącego funkcję liniowego czujnika temperatury. W systemie pomiarowym

wyróżnić można trzy kanały – dwa kanały pomiarowe (linii stokesowskich oraz

antystokesowskich) i jeden kanał odniesienia. Zgodnie z zasadą metody OFDR

sygnał wyjściowy lasera jest modulowany z częstotliwością zmieniającą się w cza-

sie pomiaru od kilku kHz do 100Mz.

Uzyskana w ten sposób dewiacja częstotliwości jest bezpośrednią miarą roz-

dzielczości przestrzennej reflektometru. Modulowane częstotliwościowo światło

lasera jest przesyłane do modułu optycznego czujki światłowodowej. Rozpraszanie

ramanowskie zachodzi w sposób ciągły. Rozproszone światło jest filtrowane wid-

mowo w module optycznym i przetwarzane przez fotodetektory na sygnał elek-

tryczny. Sygnał ten jest następnie wzmacniany i poddawany przemianie częstotli-

wości do zakresu niskich częstotliwości. Po uśrednieniu i wykonaniu transformacji

Fouriera sygnał niskiej częstotliwości zawiera dwie krzywe ramanowskiego roz-

praszania wstecznego. Amplituda krzywej rozpraszania wstecznego jest proporcjo-

nalna do natężenia rozpraszania ramanowskiego w odpowiednim punkcie światło-

wodu. Tak więc rozkład temperatury wzdłuż czujnika światłowodowego jest wy-

znaczany na podstawie stosunku amplitud sygnału w obu kanałach pomiarowych,

co pokazano na rys. 4a [7].

Maksymalna długość światłowodu wielomodowego czujki Fibrolaser 2 wynosi

4000 m. Związane jest to z tłumiennością drogi optycznej. Zakres temperatury

pracy światłowodu mieści się w przedziale od −30 ºC do +90 ºC.

W zależności od oprogramowania czujka zachowuje się jak element progowy

lub reagujący na dynamikę zmian temperatury w czasie w następujących

zakresach:

•

5 ºC czas reakcji minim. 4 min maks. 8 min,

•

10 ºC czas reakcji minim. 1 min maks. 4 min,

•

20 ºC czas reakcji minim. 30 s maks. 2 min.

a)

b)

Rys. 4. Krzywe wstecznego rozpraszania ramanowskiego (litery A i B oznaczają zmiany

temperatury czujki ś wiatłowodowej Fibrolaser 2

a) zależ ność promieniowania stokesowskiego i antystkokesowskiego od temperatury

w miejscu podgrzania ś wiatłowodu;

b) zależ ność poziomu rozpraszania wstecznego – linii stokesowskich od odległoś ci

w ś wiatłowodzie [7]

Czujki tego typu są odporne na narażenia pochodzące z otaczającego je

środowiska, a mianowicie: zakłócenia polem elektromagnetycznym, odziaływania

mechaniczne, warunki atmosferyczne, fluktuacje temperatury, wysokie ciśnienia,

agresywne chemikalia, substancje o właściwościach korozyjnych itp. Do zalet tego

rozwiązania można zaliczyć:

♦ ciągłe monitorowanie całego obszaru chronionego,

♦ pecyzyjną lokalizację zmian temperatury zarówno quasi-statycznych, jak i dy-

namicznych,

♦ łatwe tworzenie stref ochrony przy użyciu oprogramowania,

♦ czujka w czasie eksploatacji nie ulega procesowi starzenia, jak również nie

zmienia właściwości detekcyjnych pod wpływem oddziaływania na nią

otaczającego środowiska, umożliwia to stosowanie jej do zabezpieczenia

miejsc trudno dostępnych,

♦ solidna konstrukcja z wewnętrznym płaszczem ze stali nierdzewnej oraz

płaszczem zewnętrznym z tworzywa sztucznego nie zawierającego halogenów.

Czujka może być stosowana wszędzie tam, gdzie nie można stosować

klasycznych detektorów pożaru ze względu na ciężkie warunki pracy, a miano-

wicie: tunele drogowe, taśmociągi transportowe, stalownie, rafinerie, dukty

przewodów elektrycznych, trudno dostępne miejsca w magazynach, zamknięte

przestrzenie pod schodami ruchomymi itp.

S U M M A R Y

Piotr KUSTRA

OPTICAL FIBRE HEAT DETECTORS

This article presents the possible application of optial fibres as compound

detectors. Description contains the application of optical fibre detectors in line

detectors of temperature. Two methods of temperature detection are presented in

this article the first-time domain reflectometry, and the second frequency domain

reflectometry based on the Raman’s dispersal effect. Article contains also the use

of this temperatuture detectors equipment in the fire protection.

PIŚMIENNICTWO

1. J. Ciszewski: Wstęp do automatycznych systemów sygnalizacji pożarowej.

Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej. Józefów k. War-

szawy 1996.

2. M. Szustakowski, W. M. Ciurapiński: Czujniki światłowodowe z rozłożoną de-

tekcją. Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej. Praca

wykonana w ramach realizacji grantu KBN nr 8 T10C 027 08.

3. Encyklopedia fizyki współczesnej. PWN, Warszawa 1983.

4. Encyklopedia fizyki. PWN, Warszawa 1974.

5. J. C. Palais: Zarys telekomunikacji światłowodowej. WKiŁ, Warszawa 1991.

6. J. Petykiewicz: Podstawy fizyczne optyki scalonej. PWN, Warszawa 1989.

7. Dokumentacja techniczna „Liniowego systemu wykrywania pożarów Fibro-

laser 2” firmy Siemens Bulding Technologies – Cerberus Division.