P R O J E K T B A D A W C Z Y Z A M A W I A N Y PBZ-MiN-009/T11/2003

„Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie,

przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej”

SPRAWOZDANIE NAUKOWE

3.2.1 Opracowani i wykonanie modułów czujników do pomiaru temperatury, ciśnienia hydrostatycznego i naprężeń hydrostatycznych Kierownik: prof. dr hab. inż. T. WOLIŃSKI Grupa tematyczna: III. Czujniki światłowodowe do zastosowań w ochronie środowiska naturalnego, medycynie i przemyśle Wykonawca Części Wyodrębnionej: Centrum Transferu Technologii Politechniki Warszawskiej Kierownik : prof. dr hab. inż. Wiesław WOLIŃSKI

Warszawa 2004-2007

2299..0011..22000077 rr..

Politechnika Warszawska Wydział Fizyki

Koszykowa 75, 00-662 Warszawa

fax (48-22) 234 5743, tel. (48-22) 234 5689; e-mail: wolinski@if.pw.edu.pl

OOpprraaccoowwaanniiee ii wwyykkoonnaanniiee

mmoodduułłóóww cczzuujjnniikkóóww ddoo ppoommiiaarruu tteemmppeerraattuurryy,, cciiśśnniieenniiaa hhyyddrroossttaattyycczznneeggoo

ii nnaapprręężżeeńń hhyyddrroossttaattyycczznnyycchh

RAPORT KOŃCOWY Projektu Badawczego Zamawianego

PBZ-MIN-009/T11/2003 zadanie 33..22..11..

Wykonawcy

•Prof. dr hab. inż. Tomasz Woliński, kierownik •dr hab. inż. Andrzej Domański •dr inż. Piotr Lesiak •dr inż. Marek Sierakowski •mgr inż. Daniel Budaszewski •mgr inż. Sławomir Ertman •inż. Przemysław Wacławik

2

Założenia, zakres prac i przewidywane do uzyskania parametry modułów będących przedmiotem opracowania w ramach zadania.

Nowoczesne systemy monitorowania stanu bezpieczeństwa elementów konstrukcyjnych oraz szeroko rozumianego środowiska aktywności działania człowieka wymagają zastosowania układów, które z samej swojej istoty pracy oprócz wymaganej rzetelności i dokładności samego pomiaru będą zapewniały jednocześnie bezpieczeństwo ich działania przy zachowaniu niewrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłócenia ze strony wszechobecnych pól elektromagnetycznych i instalacji elektrycznych.

W takich obszarach jak przemysł chemiczny i petrochemiczny (rafinerie) platformy wiertnicze, zapory wodne, górnictwo węglowe, przemysł maszynowy i lotniczy, komunikacja i transport istnieje ogromny rynek na pomiary takich parametrów jak: naprężenia statyczne i odkształcenia mechaniczne, niskie i wysokie ciśnienie hydrostatyczne oraz temperatura.

Światłowody o dużej dwójłomności utrzymujące i przenoszące polaryzację prowadzonej fali świetlnej na duże odległości wykorzystywane są do najnowszych generacji czujników światłowodowych. W czujnikach tych, w których elementem aktywnym jest samo włókno światłowodowe, stan polaryzacji prowadzonej fali świetlnej ulega modulacji w wyniku działania zewnętrznego zaburzenia powodującego deformację światłowodu. Dzięki analizie wyjściowego stanu polaryzacji światła opuszczającego światłowód możliwe jest odtworzenie informacji dotyczącej wielkości czynnika zaburzającego.

Współczesne czujniki światłowodowe wymagają włókien, które w ogólności są obecnie dużo bardziej skomplikowane niż światłowody stosowane w telekomunikacji. Należą do nich światłowody wysoce dwójłomne typu HB (ang. highly birefringent), w których stan polaryzacji prowadzonej fali świetlnej może ulec modulacji w wyniku działania zewnętrznego czynnika. Światłowody HB posiadają wyróżnioną parę wzajemnie ortogonalnych osi symetrii (osi dwójłomności), wzdłuż których spolaryzowane są dwie składowe ortogonalne LP01

x oraz LP01

y modu podstawowego

LP01 propagujące się z dwoma różnymi prędkościami fazowymi (2 stałe propagacji). Miarą dwójłomności światłowodu jest różnica odpowiednich stałych propagacji (wolnej i szybkiej):

HBfs nc

∆ω

=β−β=β∆

gdzie ω jest częstotliwością fali a ∆nHB oznacza różnicę efektywnych współczynników załamania światłowodu HB.

W światłowodowych czujnikach polarymetrycznych stan polaryzacji prowadzonej fali świetlnej ulega modulacji w wyniku działania zewnętrznego zaburzającego pola fizycznego, które powoduje deformację światłowodu dwójłomnego.

Niniejsze zadanie badawcze miało na celu opracowanie i wykonanie modułów czujników światłowodowych do pomiarów temperatury i ciśnienia hydrostatycznego oraz naprężeń mechanicznych. Uniwersalność takiego podejścia polega na możliwości zastosowania wymiennej głowicy światłowodowej w zależności od rodzaju oraz zakresu i charakteru zmian zewnętrznego parametru fizycznego.

3

Realizacja niniejszego projektu wymagała wykonania następujących zadań, które w istotny sposób poszerzają zakresy pomiarowe czujników nieodzowne do zastosowania w warunkach rzeczywistych:

1. Badanie właściwości transmisyjnych, polaryzacyjnych i spektralnych nowych typów mikrostruktur światłowodowych złożonych ze światłowodów dwójłomnych najnowszej generacji oraz światłowodów i struktur ciekłokrystalicznym w obecności naprężeń hydrostatycznego i temperatury.

2. Opracowanie modułu światłowodowego czujnika polarymetrycznego oraz ugięciowego do pomiaru naprężeń mechanicznych na bazie światłowodów specjalnych i dwójłomnych.

3. Opracowanie modułu czujnika światłowodowego do pomiaru temperatury i ciśnienia.

4. Testy laboratoryjne zbudowanych modułów światłowodowych czujników temperatury i ciśnienia hydrostatycznego oraz naprężenia mechanicznego.

5. Optymalizacja parametrów zbudowanych modułów światłowodowych czujników temperatury i ciśnienia hydrostatycznego oraz naprężenia mechanicznego; opracowanie końcowej dokumentacji konstrukcyjnej.

Niniejszy projekt miał na celu opracowanie i wykonanie modułów czujników światłowodowych do pomiarów temperatury, ciśnienia hydrostatycznego oraz naprężeń statycznych. Uniwersalność takiego podejścia polega na możliwości zastosowania wymiennej głowicy światłowodowej w zależności od rodzaju oraz zakresu i charakteru zmian zewnętrznego parametru fizycznego.

W wyniku realizacji projektu badawczego opracowano moduły czujników światłowodowych do pomiarów:

1. temperatury i ciśnienia hydrostatycznego, z wymiennymi głowicami w zależności od mierzonej wielkości i zakresu pomiarowego;

2. naprężeń statycznych, z wymiennymi głowicami w zależności zakresu pomiarowego,

których parametry odpowiadają założeniom sformułowanym w ofercie i przedstawionym w Tab. A.

Tab. A Zakresy pomiarowe i dokładności pomiaru głowic ciśnienia, temperatury i naprężenia

Typ modułu czujnika światłowodowego Ciśnienia i temperatury Naprężenia

mierzona wielkość ciśnienie temperatura naprężenie

zakres pomiaru 0,1 – 100 MPa 10o – 120o C 50με – 10 000με

dokładność pomiaru 0,1 MPa w zakresie 0,1 – 10 MPa

1,0 Mpa w zakresie 10 – 100 MPa

co najmniej 1,0o C

w całym zakresie

10με w zakresie 50με – 1000με

100με w zakresie 1000με – 10 000με

4

Podane w Tab. A parametry są parametrami przykładowymi, które można dobierać w następujących granicach:

• ciśnienie hydrostatyczne – do 250 MPa

• temperatura – od 0oC do 150oC

• naprężenie – od 10με do 20 000με w zależności od potrzeb potencjalnego partnera przemysłowego.

Zrealizowany projekt został podzielony na n/w zadanie do wykonania w ramach umowy:

1. Badanie właściwości transmisyjnych, polaryzacyjnych i spektralnych nowych typów anizotropowych mikrostruktur światłowodowych oraz światłowodów i struktur ciekłokrystalicznym w obecności naprężeń hydrostatycznych i temperatury

2. Zakup aparatury: Spektrofotometr sterowany mikroprocesorowo

3. Opracowanie modułu światłowodowego czujnika do pomiaru naprężeń mechanicznych oraz wstępne testy laboratoryjne.

4. Opracowanie modułu czujnika światłowodowego do pomiaru temperatury i ciśnienia oraz wstępne testy laboratoryjne

5. Zakup aparatury: Specjalny układ detekcyjny

6. Optymalizacja parametrów zbudowanych modułów światłowodowych czujników temperatury i ciśnienia hydrostatycznego oraz naprężenia mechanicznego; opracowanie końcowej dokumentacji konstrukcyjnej

Wszystkie powyższe zadania zostały całkowicie wykonane w ramach umowy.

5

Koncepcja rozwiązania zadania 1. Podstawy fizyczne

Światłowód włóknisty zbudowany jest z dielektrycznego rdzenia o współczynniku załamania coren oraz z pokrycia będącego dielektrykiem o współczynniku załamania cladn mniejszym od coren . Dla światłowodów o słabym prowadzeniu ( coren ≈ cladn ) wprowadza się przybliżone rozwiązania w postaci modów liniowo spolaryzowanych lpLP , różniących się azymutalną (l) i radialną (p) liczbą modową. Mody lpLP są przykładem pseudo-modów, w których natężenie światła w przekroju poprzecznym oraz jego polaryzacja zmieniają się w miarę propagacji modu, zachowując się przy tym podobnie jak fale płaskie. Mody lpLP są superpozycją rzeczywistych modów hybrydowych plEH ,1+ i plEH ,1− . Dla 1=l znika natura hybrydowa modów plEH ,1− , które stają się modami falowodowymi pTM 0 i pTE 0 . W idealnym światłowodzie izotropowym mody o zerowej liczbie azymutalnej 0=l są dwukrotnie zdegenerowane: możliwa jest propagacja dwóch modów polaryzacyjnych x

pLP0 i ypLP0 . Mody o niezerowej liczbie azymutalnej ( 0<l ) charakteryzują się poczwórną

degeneracją: dwukrotną ze względu na orientację oraz dwukrotną ze względu na polaryzację. W wyniku tego wzdłuż światłowodu mogą propagować się cztery mody polaryzacyjne:

exlpLP , , ey

lpLP , , oxlpLP , i oy

lpLP , .

Z punktu widzenia zastosowań praktycznych najistotniejsze są mody najniższego rzędu, dla których tzw. częstotliwość znormalizowana (liczba falowa) jest zdefiniowana jako

222cladcore nnrV −=

λπ (1)

gdzie r jest średnicą rdzenia a λ jest długością fali światła, spełnia warunek: 8,3<V .

Rys. 1. Wektory pól elektrycznych modów HE11 w światłowodzie włóknistym wzdłuż: (a) osi x i (b) osi y

W przypadku izotropowego włókna jednomodowego ( 405,2≤V ) możliwa jest propagacja dwóch wzajemnie ortogonalnych modów xHE11 i yHE11 , należących do modu

11HE , który w przybliżeniu słabego prowadzenia jest dokładnie modem liniowo

6

spolaryzowanym 01LP . Dla wyższych częstości znormalizowanych: 8,3405,2 << V pojawiają się mody drugiego rzędu: 01TE , 01TM , evenHE21 i oddHE21 o niewiele różniących się stałych propagacji i podobnych rozkładach natężeń w przekroju poprzecznym. W przybliżeniu słabego prowadzenia mody drugiego rzędu są poczwórnie zdegenerowane i wchodzą w skład modu 11LP .

Dwójłomność optyczną światłowodu cylindrycznego uzyskuje się w procesie wyciągania światłowodu (dwójłomność wewnętrzna) lub w wyniku zewnętrznego oddziaływania na światłowód (dwójłomność indukowana). Do dwójłomności wewnętrznej zaliczamy dwójłomność geometryczną związaną z anizotropową strukturą rdzenia, dwójłomność naprężeniową związaną z istnieniem w płaszczu światłowodu obszarów domieszkowanych wywołujących anizotropię naprężeń w rdzeniu oraz dwójłomność profilu związaną z asymetrią rozkładu współczynnika załamania. Miarą dwójłomności liniowej jest różnica stałych propagacji ( β∆ ) ortogonalnych składowych modu podstawowego 11HE :

yxyx nknk 00 −=−=∆ βββ (2)

gdzie λπ /20 =k oznacza liczbę falową.

Różnica współczynników załamania dla ortogonalnych składowych modu podstawowego jest przyczyną powstania różnicy prędkości propagacji obu modów:

L⋅∆=∆ βδ (3)

gdzie L jest długością światłowodu. Odcinek światłowodu odpowiadający dwóm kolejnym takim samym stanom polaryzacji nosi nazwę drogi zdudnień Lb (Rys. 3.2.) i można go zapisać jako:

βπ

∆=

2bL (4)

Długość drogi zdudnień dla jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych mieści się w zakresie od 10 cm do kilku metrów, a dla światłowodów o wysokiej dwójłomności jest rzędu kilku milimetrów.

(a) (b)

Rys. 2. Definicja drogi dudnień (a) oraz rozkład stałych propagacji (pomarańczowa elipsa) i główne osie w światłowodzie anizotropowym typu PANDA (b)

Światłowód dwójłomny posiada wyróżnioną parę wzajemnie ortogonalnych osi symetrii (osi dwójłomności), wzdłuż których spolaryzowane są dwie składowe ortogonalne xHE11 i

7

yHE11 modu podstawowego 11HE ( 01LP ) i mogą one propagować się dla dowolnej długości fali (brak odcięcia modu podstawowego), ale z dwoma różnymi prędkościami fazowymi.

Rys. 3.3. przedstawia kierunki głównych osi światłowodu typu PANDA i związane z nimi stałe propagacji. Kierunek wzdłuż osi x pokrywa się z osią naprężeń wywołanych przez układ obszarów domieszkowanych ułożonych w pobliżu rdzenia. Kierunek ten charakteryzuje się większym współczynnikiem załamania światła i w związku z tym mniejszą prędkością propagacji niż kierunek ortogonalny y. Dlatego też oś x nazywa się osią wolną a ortogonalną do niej oś y – szybką.

Jeżeli kierunek polaryzacji wejściowego pola elektrycznego fali świetlnej pokrywa się z jedną z tych dwóch osi, to kierunek polaryzacji zostanie zachowany wzdłuż całej długości światłowodu i mówimy wtedy o przenoszeniu (zachowaniu) polaryzacji przez światłowód. Jednakże w przypadku, gdy kierunek polaryzacji wiązki wejściowej tworzy pewien kąt z wyróżnioną osią dwójłomności, wzbudzone zostaną obydwie składowe ortogonalne xHE11 i

yHE11 modu podstawowego.

Rys. 4. Rodzaje światłowodów HB: (a) światłowód typu bow-tie; (b) światłowód typu PANDA; (c) światłowód o rdzeniu eliptycznym; (d) dwójłomny światłowód fotoniczny.

Światłowody przenoszące polaryzację dzielą się na światłowody o dużej i o małej dwójłomności wewnętrznej. Światłowody dwójłomne HB (HB – highly birefringent) przenoszące polaryzację (Rys. 3.4) są specjalnym rodzajem światłowodów, w których złamana jest symetria cylindryczna, co powoduje zdjęcie degeneracji polaryzacyjnej przestrzennego modu podstawowego oraz pojawienie się dwóch niezależnych modów polaryzacyjnych propagujących się z różnymi prędkościami. Inny mechanizm przenoszenia polaryzacji przez światłowód można uzyskać przy pomocy światłowodów o małej dwójłomności wewnętrznej LB (LB – low-birefringence) otrzymywanych w procesie wyciągania włókna w wyniku rotacji preformy, która w ten sposób uzyskuje stałe skręcenie. Światłowody LB przenoszą bardzo dobrze polaryzację, ale są bardzo wrażliwe na zjawisko dwójłomności indukowanej zewnętrznymi zaburzeniami typu przegrzanie, zgięcie, naprężenie lub skręcenie, dlatego ich praktyczne zastosowania są bardzo ograniczone.

a) b) c) d)

8

Przebieg prac badawczych i konstrukcyjnych w trakcie realizacji zadania

Badania efektów deformacyjnych (naprężenia, skręcenia) przeprowadzono w układzie przedstawionym schematycznie na Rys. 5

Rys. 5. Układ pomiarowy do badania efektów deformacyjnych w światłowodach dwójłomnych: U – układ sprzęgający, F – fotodetektor, Śr. – śruba mikrometryczna, λ/4 – ćwierćfalówka, S – soczewka, OB – obiektyw, A – analizatorCzułość światłowodu dwójłomnego na naprężenie osiowe

Pod wpływem naprężenia symetrycznego różnica faz zmieni się zgodnie z zależnością:

( ) LXX

LX ∂

∆∂+∆

∂∂

=∂∆∂ )()( ββδ (5)

gdzie: ε,, pTX = .

Wartość naprężenia osiowego definiuje się jako:

LL∆

=ε (6)

Ze względu na periodyczną zmianę stanu polaryzacji w światłowodzie anizotropowym otrzymamy periodyczną zmianę wyjściowego stanu polaryzacji w funkcji przyłożonego naprężenia. W wyniku tego można wyróżnić charakterystyczną wartość przyłożonego naprężenia XT odpowiadającą za zmianę różnicy fazy pomiędzy ortogonalnymi składowymi modu podstawowego o π2 . Wielkość ta jest charakterystyczna dla danego światłowodu i zależy od długości fali:

)(λconstTL X =⋅ (7)

Parametr XT pozwala obliczyć zmianę dwójłomności w światłowodzie anizotropowym pod wpływem czynników zewnętrznych zgodnie z zależnością9:

( ) ( )LT

XX

XX

πβββ 2sgn0

∂∆∂

+∆=∆ (8)

funkcja ( )

∂∆∂Xβ ma dwie wartości +1 i –1 i określa charakter zmiany dwójłomności

w światłowodzie pod wpływem przyłożonego naprężenia.

9

Ze względu na pomijalnie małe zmiany długości w funkcji zaburzenia X wpływ na zmianę fazy ma przede wszystkim zmiana dwójłomności liniowej. Dwójłomność liniowa pod wpływem symetrycznych naprężeń podłużnych zmienia się zgodnie z zależnością:

( ) )(2sgn0 LTdd L

LL ξπεεβββ

∆+∆=∆ (9)

gdzie: Lβ∆ oznacza dwójłomność liniową.

W poniższej tabeli zebrane zostały wyniki pomiarów czułości różnych typów światłowodów dwójłomnych. Z porównania wynika, że światłowodem o największej czułości na naprężenia osiowe jest światłowód dwójłomny typu HB 600 bow-tie (droga zdudnień dla tej długości fali dla światłowodu HB 600 bow-tie wynosi ~2 mm). Jednakże dla długości fali światła 1550 nm światłowodem wykazującym największą czułość na naprężenia osiowe jest światłowód dwójłomny typu PANDA firmy Nufern.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

600 800 1000 1200 1400 1600

λ [nm]

Czu

łość

na

napr

. osi

owe

[rad

/[mξ*

m]

Rys. 6. zależność czułości światłowodu dwójłomnego od długości fali. Wyniki (punkty) uzyskano dla różnych

źródeł promieniowania laserowego dlatego też niektóre wartości są mniejsze niż przewidywana wartość teoretyczna (linia)

Tab. 1. Porównanie czułości na naprężenia osiowe różnych typów światłowodów dwójłomnych

10

HB bow-tie UMCS PANDA

Nufern PANDA

FiberLogix HB 1550-01

Droga zdudnień [mm]

λ=1550 nm 3,9 1,4 ~4,5 ~4,5 3,5

Czułość na naprężenia osiowe [rad/(mε*m)]

λ=600 nm 70

Czułość na naprężenia osiowe [rad/(mε*m)]

λ=800 nm 65 -

Czułość na naprężenia osiowe [rad/(mε*m)]

λ=1300 nm -

Czułość na naprężenia osiowe [rad/(mε*m)]

λ=1550 nm 32 11,2 34,5 22 2,5

Zależność czułości światłowodu dwójłomnego na naprężenie osiowe od długości fali światła

Tab. 2. Porównanie czułości na naprężenia osiowe światłowodów dwójłomnych typu bow-tie dla różnych typów

laserów

Długość fali światła Czułość światłowodu na naprężenia osiowe

632,8 70,6

670 56,99

675,5 55,85

780 56

785 65

810 52

1500 33,24

1530 32,7

1560 31,7

1610 30,5

1640 29,91

11

Wpływ szerokości połówkowej źródła światła na naprężeniową czułość światłowodu dwójłomnego Podczas badań porównano również wyniki czułości światłowodu dwójłomnego typu HB

600 bow-tie dla różnych typów laserów. Z badań wynika, że czułość światłowodu dwójłomnego zależy nie tylko od długości fali, ale również od szerokości połówkowej widma mocy użytego lasera. Zaobserwowano, iż czułość światłowodu na naprężenia osiowe jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości połówkowej widma mocy użytego lasera.

Typ użytego lasera Szerokość widma

Laser He-Ne 632,8nm 0,7 pm

He-Ne (duży) 633nm 1 pm

Point source 670 nm ~ 2,3 nm

Point source 675,5 nm ~ 2,3 nm

Point source 780 nm ~ 2,3 nm

Dioda superluminescencyjna 810 nm ~30 nm

Tunics Plus 1500-1640 nm 0,2 fm

y = -1,4876Ln(x) + 56,54R2 = 0,978

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

0,0000001 0,00001 0,001 0,1 10

∆λ [nm]

Czu

łość

na

napr

. osi

owe

[r

ad/[m

ξ*m

]

Rys. 7. Zależność czułości na naprężenie osiowe dla światłowodu HB600 typu bow-tie od szerokości

połówkowej widma mocy źródła światła

Podobne rezultaty uzyskano podczas badań czułości światłowodu dwójłomnego HB 800 typu bow-tie dla różnych typów laserów. Z badań tych wynika, że czułość światłowodu dwójłomnego zależy od szerokości połówkowej widma mocy użytego lasera. Zaobserwowano, iż czułość światłowodu na naprężenia osiowe jest, tak jak to było w przypadku włókna HB 600 typu bow-tie, odwrotnie proporcjonalna do szerokości połówkowej widma mocy użytego lasera.

12

y = -1,2015Ln(x) + 56,32R2 = 0,9995

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100

∆λ [nm]

Czu

łość

na

napr

. osi

owe

[r

ad/[m

ξ*m

]

Rys. 8. Zależność czułości na naprężenie osiowe dla światłowodu HB800 typu bow-tie od szerokości

połówkowej widma mocy źródła światła

Wpływ elementów układu na zakres pracy czujnika Zależność czułości światłowodu dwójłomnego od szerokości połówkowej widma mocy

użytego lasera można wykorzystać do zmiany zakresu rejestrowanych przez czujnik naprężeń osiowych. Pozwala to dostosowywać układ pomiarowy do aktualnych warunków bez konieczności wymiany włókna czujnikowego.

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

0,01 0,1 1 10 100

∆λ [nm]

Zak

res c

zujn

ika

[ µξ]

Rys. 9. Zależność zakresu czujnika od szerokości połówkowej widma mocy źródła światła

Inną ważną cechą włókien światłowodowych jest zależność zmiana zakresu rejestrowanych przez czujnik naprężeń osiowych w zależności od długości włókna pomiarowego. Pozwala to dostosowywać układ pomiarowy do przewidywanych warunków pracy czujnika w zakresie od 50 do 10 000 µε.

13

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 1000 2000 3000 4000 5000

Naprężenie [µξ]

Nat

ężen

ie św

iatła

[j.w

.]

Rys. 10. Zmiana natężenia światła pod wpływem przyłożonego naprężenia do światłowodu dla różnych długości

badanego włókna: linia zielona 22 cm, linia niebieska 4 cm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 100 200 300 400 500

∆λ [nm]

Zak

res c

zujn

ika

[ µξ]

Rys. 11. Zależność zakresu pracy czujnika od długości włókna

Wpływ naprężenia skręcającego na naprężeniową czułość światłowodu dwójłomnego Podczas badań stwierdzono zmniejszenie się wartości czułości światłowodu dwójłomnego

typu HB 1550 bow-tie na naprężenie osiowe pod wpływem naprężenia skręcającego.

14

29

30

31

32

33

34

0 10 20 30 40 50 60

Stopień skręcenia [obroty/m]

Czu

łość

na

napr

. Osi

owe

[rad

/mξ*

m]

Rys. 11. zależność czułości światłowodu dwójłomnego HB 1500 typu bow-tie na naprężenia osiowe od stopnia

skręcenia

Wpływ temperatury na naprężeniową czułość światłowodu dwójłomnego Dla zakresu temperatur od +200C do +1000C nie zarejestrowano zmian wartości czułości

badanych światłowodów dwójłomnych.

Kompensację wpływu temperatury na pracę czujnika polarymetrycznego można uzyskać w układzie światłowodowym przedstawionym na Rys. 12. Oba włókna światłowodowe wystawione są na wpływ temperatury (zmiana stanu polaryzacji w jednym włóknie jest kompensowana przez włókno drugie) a tylko jedno na wpływ mierzonego parametru.

Rys. 12. Zasada kompensacji temperatury.

Koncepcja czujnika modularnego Zastosowanie modularnego układu pomiarowego pozwala w zależności od potrzeb

dowolnie konfigurować czujnik (Rys. 13)

Rys. 13. Schemat połączeń rzeczywistego układu do pomiaru temperatury, naprężenia i ciśnienia

hydrostatycznego.

15

Dzięki niezależnym modułom układ czujnikowy można w czujniku zmieniać:

• punkt pracy

• zakres mierzonego zaburzenia W zależności od potrzeb istnieje również możliwość zmniejszenia kosztów budowy

układu, ilości czujników w układzie oraz sposobu przesyłania danych pomiędzy detektorem a centrum nadzorującym pracą systemu (Rys. 14).

Rys. 14 Idea modularnego układu czujnikowego

W ramach realizacji zadania zbadano nowe typy anizotropowych światłowodów dwójłomnych:

• HB 1500 bow-tie firmy Fibercore (prod. bryt.),

• światłowód fotoniczny o nr kat. PM 1550-01 firmy Blazephotonics (prod. bryt.) oraz

• światłowód fotoniczny wytworzony w Pracowni Technologii Światłowodowej UMCS w Lublinie.

Do badań użyto m.in. lasera przestrajalnego Tunics Plus z możliwością zmiany wyjściowej długości fali w zakresie 1500-1640 nm oraz polarymetru PAT 9000B. Określono czułości naprężeniowe wszystkich typów światłowodów dwójłomnych oraz zbadano wpływ temperatury, skręcenia oraz długości fali dla zakresu spektralnego od 1500 nm do 1640 nm na czułość naprężeniową światłowodu dwójłomnego HB 1500. Okazało się, że temperatura w znikomym stopniu wpływa na czułość naprężeniową anizotropowych światłowodów mikrostrukturalnych (fotonicznych). Podobnie, czułość temperaturową zmierzono jedynie dla światłowodu dwójłomnego HB 1500 bow-tie, gdyż dla pozostałych typów anizotropowych światłowodów mikrostrukturalnych czułość na zmiany temperatury jest pomijalnie mała.

Na bazie światłowodu fotonicznego wytworzonego w UMCS opracowano ciekłokrystaliczny światłowód fotoniczny, który wykazuje bardzo ciekawe właściwości spektralne, termiczne i propagacyjne.

16

Uzyskane rezultaty końcowe wykonania zadania

Na wniosek Komisji Odbioru z 2005 r. nawiązano kontakt z firmą PKN ORLEN. Wybór ten był podyktowany możliwością zastosowania czujników światłowodowych w strefie zagrożonej wybuchem jako urządzeń spełniających restrykcyjne normy. Konsekwencją nawiązania kontaktu były liczne spotkania robocze, na których przedstawiciele PKN ORLEN wyrazili zainteresowanie światłowodowymi czujnikami do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego oraz naprężeń mechanicznych. Ponadto wyrazili zainteresowanie pomiarem temperatury uzwojenia stojana w silniku elektrycznym. W tym celu został nawiązany kontakt z producentem tych silników firmą CELMA z Cieszyna, z którą wstępnie przedyskutowano szczegóły dotyczące możliwości instalacji czujnika.

Ze względu na wymagania normy bezpieczeństwa w strefie zagrożonej wybuchem wszystkie układy czujnikowe muszą uwzględniać montaż modułu laserowego oraz modułu detekcyjnego poza strefą niebezpieczną. Głowice czujników światłowodowych są dopasowywane do istniejących głowic czujników elektronicznych dotychczas stosowanych mimo istniejących zagrożeń. Ułatwia to zamienne stosowanie i łatwość montażu. Sygnał optyczny jest konwertowany przez detektor na sygnał elektryczny spełniający wymagania systemu nadzoru. Dlatego też zaproponowane czujniki i ich podział na moduły (Rys. 14.) znalazł uznanie potencjalnego odbiorcy.

Dodatkowym atutem czujników światłowodowych jest bezstratny i bezzakłóceniowy przesył sygnału optycznego na duże odległości. Sygnał elektryczny w stosowanych przez firmę PKN ORLEN standardowych czujnikach ulega zakłóceniu podczas przesyłania kablem elektrycznym z głowicy do detektora, którego droga wynosi czasem kilkaset metrów i przebiega w pobliżu źródeł silnych pół elektromagnetycznych.

Rys. 15. Schemat czujnika przygotowanego dla firmy PKN ORLEN

Moduł światłowodowego czujnika do pomiaru naprężeń mechanicznych Zastosowanie modularnego układu pomiarowego pozwala w zależności od potrzeb

dowolnie konfigurować czujnik. Na poniższym rysunku przedstawiono schemat połączeń rzeczywistego układu do pomiaru naprężeń mechanicznych.

17

Rys. 16. Schemat połączeń rzeczywistego układu do pomiaru naprężeń mechanicznych.

Układ pomiarowy tworzą:

• Moduł laserowy: laser półprzewodnikowy 3 mW

• Moduł czujnikowy: światłowód dwójłomny typu bow-tie firmy Fibercore

• Moduł detekcyjny Pomiar naprężeń mechanicznych umożliwia detekcję drgań względnych i bezwzględnych

układu. Głównym elementem pomiarowym czujnika naprężeń mechanicznych jest światłowód anizotropowy. Światłowód dwójłomny posiada wyróżnioną parę wzajemnie ortogonalnych osi symetrii (osi dwójłomności), wzdłuż których spolaryzowane są dwie składowe ortogonalne xHE11 i yHE11 modu podstawowego 11HE ( 01LP ) i mogą one propagować się dla dowolnej długości fali (brak odcięcia modu podstawowego), ale z dwoma różnymi prędkościami fazowymi. Ze względu na periodyczną zmianę stanu polaryzacji w światłowodzie anizotropowym otrzymamy periodyczną zmianę wyjściowego stanu polaryzacji w funkcji przyłożonego naprężenia. W wyniku tego można wyróżnić charakterystyczną wartość przyłożonego naprężenia odpowiadającą za zmianę różnicy fazy pomiędzy ortogonalnymi składowymi modu podstawowego.

Idea pomiaru drgań opiera się na pomiarze natężenia światła za analizatorem. Naprężenie zmienia różnicę faz proporcjonalnie do naprężenia. Wcześniejsze badania tego typu światłowodu pozwalają określać niezbędną długość elementu czynnego modułu czujnikowego oraz dokładnie wybrać punkt pracy w odniesieniu do nadesłanych przez firmę PKN ORLEN wymagań.

Podczas pierwszych testów laboratoryjnych porównano odczyt z komercyjnego czujnika drgań ze wskazaniami czujnika światłowodowego. Otrzymano jakościową zgodność pomiędzy dwoma odczytami. Niezbędna jednak okazała się dalsza praca nad zwiększeniem czułości czujnika światłowodowego, poprawą jego stabilności oraz rozdzielczości.

18

Rys. 17. Idea montażu czujnika naprężeń mechanicznych do pomiaru drgań względnych i bezwzględnych.

Rys. 18. Montaż czujnika drgań na obudowie łożyska tocznego

Rys. 19. Montaż czujnika drgań na obudowie układu do badań łożysk tocznych

19

Parametry czujnika: • zakres częstotliwości drgań 0,1 Hz -10 kHz • dokładność 1% • zakres naprężeń 50 – 10 000 µε (zależy od długości czujnika) • czułość na naprężenia 10 – 500 µε (zależy od długości czujnika)

Długość czynna czujnika 50 - 500 mm

Moduł światłowodowego czujnika do pomiaru temperatury Na poniższym rysunku przedstawiono schemat połączeń rzeczywistego układu do

pomiaru temperatury.

Rys. 20. Schemat połączeń rzeczywistego układu do pomiaru temperatury.

Układ pomiarowy tworzą:

• Moduł laserowy: diody laserowe 850 i 940 nm

• Moduł czujnikowy: światłowody wielomodowe oraz kryształ GaAs

• Moduł detekcyjny

Rys. 21. Pomiar zmian krawędzi absorpcji GaAs w funkcji temperatury

Pomiar temperatury polega na pomiarze spadku natężenia światła dla długości fali 850 nm w zakresie 0-100 oC i wzroście natężenia światła dla długości 940 nm w zakresie 100-150 oC.

20

Spadek lub wzrost natężenia światła wynika z przesunięcia krawędzi absorpcji GaAs w funkcji temperatury. Konstrukcja czujnika opiera się na wklejeniu pomiędzy dwa włókna światłowodowe (opcja transmisyjna), dlatego też rozmiary poprzeczne modułu czujnikowego ograniczone są przez średnicę tego włókna.

Parametry czujnika: • zakres temperatury 0-150 oC • dokładność 1 oC • rozmiar końcówki czujnika z płytką GaAs i osłoną zabezpieczającą φ250/1000 µm

Moduł światłowodowego czujnika do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego i temperatury z wykorzystaniem światłowodu typu HB

Na poniższym rysunku przedstawiono schemat połączeń rzeczywistego układu do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego.

Rys. 22. Schemat połączeń rzeczywistego układu do pomiaru ciśnienia

21

Rys. 23 Manometr z komorą wysokociśnieniową zawierającą moduł ciśnieniowo-temperaturowy

Układ pomiarowy tworzą:

• Moduł laserowy: laser półprzewodnikowy 3 mW

• Moduł czujnikowy: światłowód dwójłomny typu bow-tie HB firmy Fibercore

• Moduł detekcyjny Głównym elementem pomiarowym czujnika ciśnienia hydrostatycznego jest światłowód

anizotropowy. Światłowód dwójłomny posiada jak to już zostało wyjaśnione wcześniej wyróżnioną parę wzajemnie ortogonalnych osi symetrii (osi dwójłomności), wzdłuż których spolaryzowane są dwie składowe ortogonalne xHE11 i yHE11 modu podstawowego 11HE ( 01LP ) i mogą one propagować się dla dowolnej długości fali, ale z dwoma różnymi prędkościami fazowymi. Ze względu na periodyczną zmianę stanu polaryzacji w światłowodzie anizotropowym otrzymamy periodyczną zmianę wyjściowego stanu polaryzacji w funkcji przyłożonego naprężenia. W wyniku tego można wyróżnić charakterystyczną wartość przyłożonego naprężenia odpowiadającą za zmianę różnicy fazy pomiędzy ortogonalnymi składowymi modu podstawowego.

Rys. 24. Montaż światłowodu na tulei

Rys. 25. Tensometr gotowy do zamontowania w układzie

22

Rys. 26 Głowica tensometryczna podczas pomiaru ciśnienia

Idea pomiaru ciśnienia hydrostatycznego jest podobna do opatentowanego przez nas pomiaru tensometrycznego (W. J. Bock, T. R. Woliński, R. Wiśniewski, “Fiber-Optic Strain Gauge Manometer”, US Patent, No. 5 187 983, issued on February 23, 1993). Sprężony olej poprzez tuleję wywiera nacisk na światłowód anizotropowy, który jest nawinięty na tę tuleję. Naprężenie zmienia różnicę faz proporcjonalnie do ciśnienia. Wartość zmiany natężenia światła na detektorze jest proporcjonalna do ilości zwojów światłowodu. Wcześniejsze badania tego typu światłowodu pozwalają określać niezbędną długość elementu czynnego modułu czujnikowego oraz dokładnie wybrać punkt pracy w odniesieniu do konkretnych wymagań aplikacyjnych.

Ciśnienie hydrostatyczne modyfikuje rozmiary przetwornika tensometrycznego zgodnie z zależnością:

12)( 2 −

=KE

ppε (10)

Natężenie światła za analizatorem opisuje formuła:

)]cos(1[21

∆Φ+=I (11)

Biorąc pod uwagę powyższe zależności można obliczyć zmianę natężenia światła za głowicą tensometryczną:

})]1

22)sgn(cos[(1{21

20 L

KEp

LTddI

i

ii −

∆+∆+= ε

πεββ (12)

23

Rys. 27 Charakterystyki przykładowego modułu ciśnieniowego wykonanego na bazie fotonicznego

światłowodu dwójłomnego o długości 0,65 m w temperaturach T = 20oC oraz T= 22 oC

24

5

15

25

35

45

55

65

20 30 40 50 60 70 80 90

temperatura

nap

ięci

e [j

.w.]

[°C]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

30 40 50 60 70 80 90temperatura

napi

ęcie

[mV

]

[°C]

Rys. 27 Charakterystyki przykładowego modułu temperaturowego wykonanego ze światłowodu

dwójłomnego HB-800 o długości 5 mm w przedziale temperatur ( 20oC.- 90o C)

25

Rys. 28. Natężenie światła w funkcji ciśnienia hydrostatycznego dla dwóch ilości zwojów światłowodu

anizotropowego: 1 zwój – linia ciągła, 6 zwojów – linia przerywana.

Parametry czujnika ciśnienia na bazie światłowodu typu HB

• zakres ciśnienia 1 – 300 MPa

• dokładność 1%

• długość czynna czujnika 5 - 50 mm

• rozmiar głowicy pomiarowej φ 45 – 200 mm

Parametry czujnika temperatury na bazie światłowodu typu HB

• zakres temperatury 0 – 120 oC

• dokładność 1%

• długość czynna czujnika 5 - 50 mm

• rozmiar głowicy pomiarowej φ 45 – 200 mm

26

Wnioski końcowe

W ramach realizacji zadania zbudowano moduły czujników ciśnienia hydrostatycznego i temperatury oraz naprężenia statycznego wykorzystujących światłowody o wysokiej dwójłomności typu HB. Moduły te spełniają wymagania sprecyzowane w ofercie i podane (jako parametry przykładowe) w Tab.A:

Tab. A Zakresy pomiarowe i dokładności pomiaru głowic ciśnienia, temperatury i naprężenia

Typ modułu czujnika światłowodowego

Ciśnienia i temperatury Naprężenia

mierzona wielkość ciśnienie temperatura naprężenie

zakres pomiaru 0,1 – 100 MPa 10o – 120o C 50με – 10 000με

dokładność pomiaru 0,1 MPa w zakresie 0,1 – 10 MPa

1,0 Mpa w zakresie 10 – 100 MPa

co najmniej 1,0o C

w całym zakresie

10με w zakresie 50με – 1000με

100με w zakresie 1000με – 10 000με

Uzyskane parametry odpowiadają z nadmiarem założeniom sformułowanym w ofercie rozszerzając zakresy pomiarowe opracowanych modułów, które można dobierać w następujących granicach:

ciśnienie hydrostatyczne – od 0,1 Mpa do 300 MPa

temperatura – od 0oC do 150oC

naprężenie – od 10με do 20 000με.

Dobór odpowiedniego parametru mierzonego oraz jego zakresu pomiarowego dokonuje się w zależności od potrzeb potencjalnego odbiorcy. W ramach zrealizowanego zadania przebadano szereg światłowodów dwójłomnych dostępnych na rynku światowym wliczając w to również prototypowe fotoniczne światłowody dwójłomne w zależności od właściwości spektralnych stosowanego źródła światła oraz od dobieranej jednostkowo długości elementu czujnikowego L wchodzącego w skład modułu do pomiaru ciśnienia, temperatury czy naprężenia statycznego. Dla danej długości roboczej fali λ można określić charakterystyczny zakres pomiarowy XT mierzonego parametru X (ciśnienie, naprężenie, czy temperatura) zgodnie z formułą (7), któremu odpowiada długość elementu czujnikowego L:

)(λconstTL X =⋅ .

W wykonanych realizacjach modułów do pomiaru ciśnienia, temperatury czy naprężenia statycznego stosowano czujniki o długościach światłowodu dwójłomnego od 5 mm do 50 mm.

W trakcie realizacji pracy nawiązano kontakt z potencjalnym odbiorcą przemysłowym koncernem PKN ORLEN (Załącznik A), któremu zaproponowano realizację i próbną instalację wykonanych modułów czujników. Wybór ten był podyktowany możliwością zastosowania czujników światłowodowych w strefie zagrożonej wybuchem jako urządzeń spełniających restrykcyjne normy.

27

Niniejsza praca została rozszerzona o dodatkowo opracowany światłowodowy czujnik obrotów (Rys. 29).

Światłowodowy czujnik obrotów – jako pierwszy z zaproponowanych modułów czujnikowych – przebadany został w firmie PKN ORLEN w Płocku w warunkach rzeczywistego systemu monitorowania parametrów określających stan dynamiczny maszyn.

Założenia dotyczące zbudowania światłowodowego czujnika obrotów (fazy) zostały oparte na parametrach katalogowych popularnych bezdotykowych czujników wiroprądowych stosowanych w systemach diagnostycznych głównie do pomiaru drgań względnych wału, osiowego położenia wału, względnych wydłużeń termicznych, znacznika obrotów (znacznika fazy).

Podstawowe dane czujnika wiroprądowego jako znacznika fazy.

1. Zależność napięcia stałego od odległości główki czujnika od powierzchni pomiarowej

U dc = f(d)

2. Zakresy pomiarowe:

odległość 0,25 mm do 2,25 mm zakres napięcia odpowiadający ww odległości (−2,0 V dc do −18,0 V dc) zakres częstotliwości 0 − 10000 Hz (praktycznie wymagany 0 − 1000 Hz)

3. Wymagania dotyczące przygotowania powierzchni pomiarowej dla czujnika fazy:

wpust lub wypust na wale o wymiarach min.(długość x szerokość x głębokość): 10,2 x 7,6 x 1,5 mm

4. „Zbieranie” sygnału czujnikiem wiroprądowym z wału (z wpustu) daje na wyjściu z proximitora sygnał impulsowy − wartość impulsu powinna się zmieniać w zakresie od −2V dc do −18V dc.

Przy konstruowaniu światłowodowego czujnika obrotów wykorzystano powyższe założenia dotyczące funkcjonowania wiroprądowego czujnika fazy (obrotów), którego główną cechą jest możliwość wykonywania (przez specjalizowane analizatory sygnału drganiowego) analiz synchronicznych skojarzonych z obrotami maszyny.

W 2006 r. przeprowadzono instalacje czujnika światłowodowego w firmie PKN ORLEN w Płocku. Badania te (rozpoczęte na jesieni 2006 r.) trwają nieprzerwanie, gdyż czujnik poddawany jest również testom długookresowym. Wszystkie głowice czujnikowe zaprojektowano zgodnie z wytycznymi otrzymanymi z firmy PKN ORLEN, jako że czujniki światłowodowe mają zastępować bądź wspomagać istniejące układy czujnikowe. Załączniki 1 i 2 prezentują wyniki serii pomiarów światłowodowego czujnika obrotów wykonane w Płocku w PKN ORLEN. W celu sprostania wymaganiom zawartym w wytycznych niezbędne są dalsze prace optymalizacyjne.

W wyniku wspólnie prowadzonych z PKN ORLEN prac przedstawiciele koncernu uczestniczyli w konferencji światłowodowej w Krasnobrodzie w październiku 2006 r. oraz przygotowywana została wspólna prezentacja na międzynarodową konferencję pomiarową IEEE-IMTC-2007, która odbędzie się w Warszawie w maju 2007 r.

28

Rys. 29 Moduł czujnika światłowodowego obrotów testowany na stanowisku w PKN Orlen w Płocku.

Do najważniejszych osiągnięć pracy o charakterze aplikacyjnych pracy należy zaliczyć:

• Zbudowanie głowicy do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego w nowej konfiguracji głowicy tensometrycznej (opartej na własnym patencie USA z 1993 r.),

• Zastosowanie wymiennych głowic czujnikowych do pomiaru ciśnienia i naprężeń statycznych na światłowodach dwójłomnych o niskiej czułości temperaturowej,

• Przeprowadzenie udanej instalacji światłowodowego czujnika obrotu w PKN ORLEN w Płocku

Publikacje:

1. P. Lesiak, T. R. Wolinski, S. Ertman, A. W. Domanski, “A new fiber optic modular sensing system”, Photonics Europe, Optical Micro- and Nanometrology in Microsystems Technology, 3–7 April 2006, Strasbourg, France, Proc. SPIE Vol. 6188, 61881A, Optical Micro- and Nanometrology in Microsystems Technology; Christophe Gorecki, Anand K. Asundi, Wolfgang Osten; Eds., 2006

2. W. J. Bock, T. R. Wolinski, R. Wiśniewski, “Fiber-Optic Strain Gauge Manometer”, US Patent, No. 5 187 983, issued on February 23, 1993.

3. Piotr Lesiak, Tomasz R. Wolinski, Jaroslaw Tul, and Andrzej W. Domanski, “All fiber optic modular sensing system for hydrostatic pressure measurements with a photonic liquid crystal fiber analyzer”, Proc. SPIE, Optical Fibers and Their Applications X, Krasnobrod 2006.

4. T. R. Wolinski, P. Lesiak, M. D. Koźlik, A. W. Domanski, T. Nasilowski, H. Thienpont, „Thermal and spectral effects in polarimetric strain sensors based on highly birefringent fibers”, Proc. SPIE Vol. 5952, 59520K, Optical Fibers: Applications; Leszek R. Jaroszewicz, Brian Culshaw, Anna G. Mignani; Eds.Proc. SPIE, vol. 5952, p. 162-168, 2005.

5. T. R. Woliński, A. W. Domański, P. Lesiak, M. Koźlik, „Polarimetric fiber optic strain sensing based on highly birefringent fibers”, Conference of German Society of Applied Optics, Wrocław, Poland, 17-20.05.2005.

29

Załacznik A

List od Głównego Automatyka PKN „Orlen” mgr inż. Andrzeja Zabielskiego w sprawie nawiązania współpracy

From: Zabielski Andrzej Sent: Wednesday, November 16, 2005 2:59 PM Subject: FW: Założenia techniczne dla czujników światłowodowych przewidzianych do realizacji w ramach grantu Ministerstwa Edukacji I Informatyzacji Pan Prof. Dr Tomasz R. Woliński Zakład Optoelektroniki Wydział Fizyki Politechnika Warszawska Szanowny Panie Profesorze, Zgodnie z naszymi uzgodnieniami w dn. 8.10.2005 r. podczas wizyty Pana i Współpracowników w naszym Zakładzie przesyłam dane założeniowe do czujników światłowodowych , które mogłyby być opracowane przez kierowany przez pana Zakład w ramach grantu Ministerstwa Edukacji I Informatyzacji. W przypadku niejasności proszę kontaktować się ze mną lub bezpośrednio z autorami założeń. Z poważaniem, Andrzej Zabielski Główny Automatyk

I. Założenia dla czujnika prędkości obrotowej

Przygotował: p. Andrzej Gąsecki tel. 024-365 4973, e;mail- andrzej .gasecki@orlen.pl

1. Czujnik przeznaczony do pomiaru prędkości obrotowej w zakresie 0-15000 rpm. Impulsy generowane na podstawie przesuwających się przed jego powierzchnią czołową otworów (25 na obwodzie) na obrotowej tarczy. Odległość tarczy od czoła czujnika nie większa niż 1-5 mm. Kształt czujnika: nagwintowany walec M10x0.75 o długości 50mm.

30

2. W komorze, w której zamontowane są czujniki obecny jest olej, co przy obracającej się ze zmienną i dużą prędkością tarczy oraz końcówki wału turbiny powoduje powstawanie mgły olejowej lub strug oleju zalewających czujniki. Temperatura oleju - około 80 st. C.

3. Dane dotyczące sygnału wyjściowego z konwerterów przekształcających sygnał z czujników na sygnał elektryczny podane są w załączonym pliku jacquet_spec.pdf, a sposób podłączenia do układu wtórnego (system zabezpieczenia przed wzrostem prędkości) w pliku wiring.pdf

4. Czujniki (3 sztuki) mają pracować w układzie blokad turbiny kompresora TC102 zabezpieczając kompresor przed niekontrolowanym wzrostem prędkości. Zatem musze się charakteryzować przemysłowym wykonaniem, bardzo dużą niezawodnością i pewnością działania w warunkach pracy jak w pkt. 2. Błędne zadziałanie czujników spowodowałoby wyłączenie kompresora obiegowego i bardzo duże straty związane z kilkudniowym postojem produkcyjnym instalacji Hydroodsiarczania.

II. Założenia dla czujników do pomiaru temperatury uzwojeń silników elektrycznych.

Przygotował: p. Artur Szymański tel. 024-365 2774, e:mail - artur .szymanski@orlen.pl

1. Czujnik przeznaczony do pomiaru temperatur uzwojeń silników elektrycznych montowany na silnikach elektrycznych 2 i 3 fazowych o mocy od 50 kW na napięcia znamionowe 6 kV i wyższe.

2. Zakres temperatury pracy uzwojeń do +155 o C.

3. Czujnik musi zapewnić separację elektryczną dla napięcia 6 kV i wyższych.

4. Dotychczasowe rozwiązania wprowadzają potencjalne zagrożenie przebicia do systemów DCS, PLC i ich uszkodzenie.

5. Krajowym producentem większości silników jest firma CELMA - Cieszyn.

III. Założenia dla czujników do pomiaru ciśnienia.

Przygotował: p. Ryszard Endrzejczak tel. 024-364 7422, e:mail - ryszard.endrzejczak@basellorlen.pl

31

Wszelkie dane techniczne takie jak: zakresy pomiarowe, sposób montażu, warunki stosowania znajdują się w załączonym pliku Czujniki ciśnienia - Dynisco.pdf.

IV. Założenia dla czujników do pomiaru drgań i wibracji.

Przygotował: p. Antoni Waldemar Korytkowski tel. O24-365 5749, e:mail - waldemar.korytkowski@orlen.pl

Wszelkie dane techniczne takie jak: zakresy pomiarowe, sposób montażu, warunki stosowania znajdują się w załączonych plikach:

Czujniki ciśnienia - Dynisco.pdf. B&K data sheet.pdf 3300 XL Proximity Transducer System - Bently Nevada.pd B&K Explosion-proof acceleration sensors.pdf Czujniki wibracji - Bruel&Kjaer.pdf Czujniki wibracji - Bruel&Kjaer-Obwodówki.pdf B&K Displacement sensors.pdf

Wymaganiem ogólnym dla powyższych propozycji czujników jest sygnał wyjściowy - prądowy w zakresie od 4 do 20 mA odpowiadający standardowi w PKN ORLEN S.A oraz możliwość zaadaptowania czujników do istniejącego systemu pomiarowego bez konieczności wprowadzania przeróbek mechanicznych. Czujniki będą montowane w strefach zagrożonych wybuchem. Powinny więc spełniać wymagania Dyrektywy ATEX 100a oraz standardów CENELEC obowiązujących w UE.