MERILNIK TEMPERATURE NA OSNOVI FLUORESCENCE OKSIDNIH SINTENTIČNIH MONOKRISTALOV J. Križanj I. Bajsič^ in J. Možina^ ^AMI d. o. o., Ruj, Slovenija ^Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, Slovenija Kjučne besede: optična temperaturna zaznavala, fluorescenca, sintetični oksidni monolS'APAJ/UNIK : LASER ^ 405 n/r= OPTIKA Mftrjeni k r isla' ŠPINKI Opüino «k-o SPEKTROMETER MERiLNA SONDA PRENOSNIK S PROGRAMSKO OPREMO Slika 6: Merilni sistem z optičnim vlaknom V drugi merilni verigi za brezdotikalno meritev je kontinuirni laserski vir, ki omogoča vzbujanje iz razdalje nekaj metrov. Svetloba, ki jo fluorescira kristal, se zbira s sistemom leč in usmerja prek kolimatorja v optično vlakno spektrometra. S to merilno opremo je mogoče brezdotikalno meriti temperaturo in je kot takšna uporabna za meritve fluorescenčnih ognjevarnih premazov, pri katerih se skušamo izogniti direktnemu kontaktu ali pa ta sploh ni mogoč. Pri izbiri filtrov je treba upoštevati spektralni profil ozadja v različnih merilnih situacijah. Vsekakor je ugodneje, če je spekter emisije kristala pomaknjen proti modremu področju, kjer infrardeči spekter ozadja lahko preprosto izločimo. V našem primeru so spektralne črte v rdečem področju, to pa je bilo dovolj dobro za razvoj merilne metode. Kristali, kakor je BAM BaMgAlioOi7:Eu ali YAG:Dy (ima emisijo pri 455 nm in 497 nm), so zelo primerni tudi s tega stališča /5/. Programska oprema omogoča preprosto prilagoditev na različne fluorescenčne materiale. Parametri so valovne dolžine vrhov fluorescence, katerih razmerje se izračunava, in polinomski koeficienti ter nekateri parametri, povezani z delovanjem in občutljivostjo spektrometra. Programska oprema omogoča tudi hkratno zapisovanje merjenih vrednosti v spremenljivem rastru v datoteko, ki jo je možno obdelovati s klasično programsko opremo ali prikazati v grafikonu. Na sliki 8 je prikazan merilni sistem za brezdotikalno merjenje temperature. Vidni so optični blok z diodnim laserskim modulom na stojalu pred električno pečjo, spektrometer in prenosni računalnik z grafičnim vmesnikom. Spektrometer ima dovolj veliko optično občutljivost, tako da smo v večini primerov lahko izvajali meritve s časom vzorčenja 100 ms in krajše. Merilni sistem s pečjo je pripravljen za brezdotikalno merjenje v temperaturnem območju do 1400 °C - z njim bomo v nadaljnjih raziskavah testirali uporabo tudi drugih kristalov. Zato je konstrukcija peči prilagojena potrebam testnega merilnega sistema. Tako je SPeKTROMETgR MgRiLNI OBJEKT PRENOSNIK S PROGRAMSKO OPREMO Slika 7: Brezdotikalna meritev temperature vgrajen primerjalni termopar RRh-R, ki se dotika merilnega kristala, zalitega v keramičnem nosilcu, in programska oprema za snemanje in prikaz merilnih podatkov in za njihovo analizo. Pri meritvah do 400 °C pa je predvidena primerjalna meritev s R100 uporovnim zaznavalom in s pripadajočim merilnim pretvornikom. Slika 8: Sistem za brezdotikalno merjenje temperature V območju do 400 °C je mogoče uporabljati s kromom dopirane kristale. Na sliki 9 so prikazani različni kristali, zaliti v keramičnem nosilcu in pripravljeni za testiranje. V temperaturnem razponu od 25 °C do 200 °C je točnost merilnega sistema boljša od ± 0,4 °C. Pri tem je največji del izmerjenega odstopanja zaradi zakasnitve pri primerjalni meritvi temperature oksidnega kristala s R100 zaznavalom, ki ima tudi svojo termično vztrajnost. Za višje temperature so primerni kristali, dopirani z redkimi zemljami, na primer z Dy dopirani YAG. Do nedavnega je bil disprozij edini poznani aktivator iz družine redkih zemelj, ki kaže odziv v obliki razmerja intenzivnosti fluorescence pri visokih temperaturah /10/. Merilni sistem omogoča uporabo različnih merilnih oksidnih kristalov - z lastnostjo temperaturno odvis- J. Križan, I. Bajsič' J. Možina: Merilnik temperature na osnovi fluorescence oksidnih sintentičnih monokristalov ■W m. Slika 9: Različni l<:nstali v keramičnem nosilcu nega razmerja vrhov fluorescence - za različna temperaturna območja. Nadaljnji koraki začetih raziskav bodo usmerjeni v razvoj nanofluorescenčnih materialov, ki se potencialno lahko uporabljajo kot temperaturni fluorescenčni premazi ali kot inteligentni ognjevarni premazi /10/, /18/ in pri razvoju merilne opreme za določanje temperaturnega stanja v različnih industrijskih aplikacijah . 4. Sklepi Rezultati opravljenih raziskav so pomembni za nadaljnji razvoj merilne opreme za merjenje temperature na temelju fluorescence oksidnih monokristalov. Načrtovana in izdelana je univerzalna cenovno ugodna prenosna merilna oprema, ki omogoča preprosto prilagoditev na različne tipe dvobarvnih merilnih fosforjev. S tem lahko optimalno prilagodimo merilni sistem na zahtevano aplikacijo in merilno področje temperatur od kriogenskega do visokih temperatur. Pri iskanju primernih fluorescenčnih materialov je bil obdelan širok spekter dosegljive novejše strokovne literature s področja lastnosti oksidnih kristalov in spremljajoče patentne dokumentacije. Izdelani so bili eksperimentalni ok-sidni monokristali na lastni tehnološki opremi, in to po Ver-neuilevem postopku. Pri izdelavi merilne opreme je potekalo razvojno delo načrtno od izbire najbolj temeljnih sestavnih elementov do konfiguriranja končnega merilnega sistema, ki omogoča snemanje temperaturnih karakteristik oksidnega monokristala, določanje korekcijskih funkcij ter shranjevanje in obdelavo izmerjenih signalov. Merilna oprema je primerna tudi za uporabo na fluorescenčnih temperaturnih premazih, na primer v nanotermometriji /19/. /5/ Gustaf Sarner, Mattias Richter in Marcus Alden: investigations of blue emitting phosphors for thermometry, Meas, Sei. Tech-nol. 19, 125304 (lOpp), 2008 /6/ Verneuii, Auguste Victor Luise, Process for producing sinthet-icsapßhires, Patent US 988, 230, 28. mar. 1911 /7/ Križan, Janez: Sinteza in fluorescenoa oksidnih monokristalov : 1. podiplomski seminar. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2008 /8/ A. L. Heyes, 8. Seefeldt, J. P. Feist: Tvi(o-colour phosphor thermometry for surface temperature measurement. Optics & Laser Technology, 38 pp. 257-265, 2006 /9/ Maria Cristina Vergara: Window Glass Temperature With a Fluorescence Intensity Ratio Optical Fibre Sensor, A thesis for degree of Master of Science, Optical Technology Research Laboratory/School of Electrical Engineering, Victoria University, 2003 /10/ Ashiq Hussain Khalid in Konstantinos Kontis: Thermographic Phosphors for High Temperature Measurements: Principles, Current State of the Art and Recent Applications. Sensors 8, 5673 -5744, 20 08 /11 / J. Someya, C. Nojiri, H. Aizavi^a, T. Katsumata, S. Komuro in T Morikawa: Fluorescence Thermometer Application of Cr Doped Spinel Crystals, SiCE-ICASE International Joint Conference 2006, 18.-21. okt. 2006, in Bexco, Busan, Korea /12/ M. Kaneda, K. Orihara, H. Aizavi^a, T. Katsumata, S. Komuro in T. Morikawa: Thermo-Sensor Based on Peak Intensity Ratio of Photoluminescence from Or Doped YAG Crystals, SICE-ICASE International Joint Conference 2006, 18.-21. okt. 2006, in Bexco, Busan, Korea /13/ J. Someya, C. Nojiri, H. Aizawa, T. Katsumata, S. Komuro in T. Morikawa: Fluorescence Thermo-Sensor Sheet Using Cr Doped YA103 Crystals, SICE-ICASE International Joint Conference 2006, 18.-21. okt. 2006, in Bexco, Busan, Korea /14/ T L. Phan in S. C. Yu, M. H. Phan, T P J. Han.: Photoluminescence Properties of Cr3+-Doped MgAI204 Natural Spinal. Journal of ttie Korean Physical Society, zv. 45, št. 1, julij 2004, pp. 63-66 /15/ Kokta, M., Stone-Sundberg, Jennifer: Spinel Articles and Methods for Forming Same. WO 2005/031048 A1, Patent /16/ Falcenberg, R.: Verneuii Apparatus for Growing Spinel-Type Oxide, United States Patent US 3,876.382, 8. apr. 1975 /17/ William M. Yen, Shigeo Shionoya, Hajime Yamamoto: Phosphor Handbook, Second Edition, CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis Group, 2006 /18/ S. W. Allison, D. L. Beshears, M. R. Cafes, M. Paranthaman: LED-induced fluorescence diagnostics for turbine and combustion engine thermometry, http://www.ornl.gov/phosphors /19/ Jaebeom Lee and Nicholas A. Kotov: Thermometer design at the nanoscale. Nanotoday zv. 2, št. 1, pp. 48-51, 2007 5. Literatura /1/ K. T. V. Grattan in Z. Y. Zhang: Fiber Optic Fluorescence Thermometry, Chapman and Hall, London, 1995 /2/ V. C. Fernicola, T. Sun, Z. Y. Zhang in K. T. V. Grattan: Investigations on exponential lifetime measurements for fluorescence thermometry. Review of Scientific Instruments, zv. 71, št. 7, julij 2000 /3/ De Huang in Hui Hu: Molecular tagging thermometry for transient temperature mapping within a water droplet. Optics Letters, zv. 32, št. 24/15. december 2007 /4/ Babnik, A., Kobe, A., Kuzman, D., Bajsič, I., Možina, J.: Improved probe geometry for fluorescence-based fibre-optic temperature sensor. Sensors and Actuators, A. Physical, zv. A 57, pp. 203-207, 1996 J. Križan, AMI d. o. o., Trstenjakova 5, SI-2250 Ruj I. Bajsič; J. Možina Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, S I-1000 Ljubljana