VOORWOORD Dit eindwerk hield voor mij niet enkel het schrijven van een thesis in, maar was ook de kroon op het werk van mooie jaren aan de Hogeschool. Jaren waarin ik veel plezier heb beleefd en veel leuke mensen heb leren kennen. Echter ook jaren van hard werken en een druk gevulde agenda. Ik zou hier dan ook van de gelegenheid gebruik willen maken om niet enkel de mensen te bedanken die geholpen hebben aan het tot stand komen van mijn eindwerk maar ook deze mensen die me gedurende deze jaren door dik en dun gesteund hebben. Dhr. Marc Voet, algemeen directeur van FOS&S, die zo vriendelijk was om mijn stageaanvraag te accepteren. Dhr. Johan Vlekken, die er op toekeek dat alles in rechte banen verliep. Stagebegeleider Bob Boons die steeds een antwoord gaf op vragen die ik had en erop toekeek dat ik de praktische zaken tot een goed einde bracht binnen de tijd. Al de collega’s die voor een leuke tijd zorgde tijdens mijn stageperiode. Stagementor Patrick Colleman, die de nodige opvolging en begeleiding gaf vanuit de KHK en al zijn collega docenten die ik gedurende mijn hogeschool carrière heb leren appreciëren. Zowel voor het leerrijke lessenpakket als de begeleiding door het jaar. Mijn vriendin Katrien wil ik natuurlijk bedanken. Door dik en dun heb je me steeds gesteund. In onze jonge relatie heb je me toch de nodige vrijheid gegeven en zijn we samen door het hoofdstuk ‘KHK’ geraakt. Ik zie al uit naar de toekomst samen met je. And last but not least wil ik nog mijn lieve ouders en zus bedanken. Voor de kansen die ik krijg en het geloof dat jullie in mij stellen. Voor de warme thuis waar ik steeds weer terecht kom, en de steun op de vaak onmogelijkste momenten. Ik zou jullie eigenlijk voor alles veel vaker moeten bedanken. Tot slot hoop ik ook dat dit eindwerk geen einde betekend, maar een begin. Een begin van een minstens even belangrijke en hopelijk ook een even mooie periode. Een periode die ik graag met dezelfde mensen zou willen delen.
Jeroen Willems
2
SAMENVATTING Het bedrijf FOS&S heeft zich gespecialiseerd in het vervaardigen van optische sensoren. Deze worden gebruikt in een groot aantal toepassingsgebieden. Maar naast sensoren maakt het bedrijf ook meettoestellen. Het eerste compacte meettoestel was de SPECTRALEYE en nu is men bezig met de grote broer ervan, de FBG - datalogger. Het onderwerp waar deze thesis over handelt, is het uitwerken en afwerken van de FBG – datalogger. Dit voor zowel de software - als hardware matige afwerking. De finale ontwikkeling van de FBG – datalogger start met het maken van een internetconnectie voor de meetunit. Hierdoor werd het mogelijk om de unit over te nemen van op afstand. Ook het maken van automatische back-ups hoort nu tot de mogelijkheden. Hiervoor is nieuwe software voor de automatisering geschreven. De voeding van de FBG - datalogger is opnieuw geconfigureerd zodat hij nu tot twee uur op batterijen kan werken. Een batterijlader is ontworpen en hiervoor is ook een PCB getekend. Na vele testen is deze PCB dan ook gefabriceerd. Uiteindelijk is het toestel gecontroleerd met temperatuurstesten en gewijzigd zodat het toestel voldoet aan de specificaties van het bedrijf. Het geheel is gerealiseerd in een strak tijdschema, omdat de meetunit in september op de markt moet. Nadien heb ik mee geholpen met het ontwerp van de definitieve behuizing van de meetunit. Dit totaalpakket is ondertussen al in gebruik genomen in de industrie, en heeft zijn functionaliteit bewezen.
3
INHOUDSOPGAVE INLEIDING .............................................................................................................................. 6 1
HET BEDRIJF ........................................................................................................ 7
1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.3
ACTIVITEITEN ........................................................................................................... 7 PROJECTEN ............................................................................................................... 8 Temperatuurdetectie in elektriciteitsleidingen .......................................................... 8 Temperatuurdetectie van pijpleidingen op de oceaanbodem .................................... 8 Meten van de verplaatsing van een tunnelwand........................................................ 9 Detectie van aardscheuren....................................................................................... 10 Structurele analyse van vliegtuigen......................................................................... 10 Kracht – en spanningsmeting in een satelliet .......................................................... 11 DOEL ....................................................................................................................... 12
2
WERKINGSPRINCIPE ....................................................................................... 13
2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6
GLASVEZEL ............................................................................................................. 13 Geschiedenis............................................................................................................ 13 Soorten .................................................................................................................... 13 Verliezen ................................................................................................................. 15 Eigenschappen......................................................................................................... 16 Vezelconnecties....................................................................................................... 16 FIBER BRAGG GRATING ......................................................................................... 19 Wat is een Fiber Bragg Grating?............................................................................. 19 Theoretische bepaling van de Bragg grating........................................................... 21 Grafische voorstelling van de Bragg grating........................................................... 23 Optische sensoren.................................................................................................... 24 Golflengtemultiplexing (WDM) ............................................................................. 26 Lichtbronnen ........................................................................................................... 27
3
SPECTRALEYE ................................................................................................... 28
3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.4 3.5 3.6 3.7 3.7.1
GESCHIEDENIS ........................................................................................................ 28 DE OPTICAL MONITOR ............................................................................................ 28 Samenstelling .......................................................................................................... 29 Firmware ................................................................................................................. 30 DE LED .................................................................................................................... 30 Breedbandige lichtbron ........................................................................................... 30 DE OPTICAL COUPLER ............................................................................................ 31 DE REFERENTIEGRATING ....................................................................................... 31 DE BATTERIJ ........................................................................................................... 32 POCKETPC.............................................................................................................. 32 Eigenschappen......................................................................................................... 32
4
3.8
BESTURINGSSYSTEEM ............................................................................................. 32
4
FBG - DATALOGGER ........................................................................................ 33
4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.6 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.8 4.9
EVALUATIE, KARAKTERISERING EN MODIFICATIE VAN DE OFM VAN AXSUN ..... 34 ONTWIKKELING VAN KALIBRATIEMODULE EN KALIBRATIE ALGORITME ............ 40 Gascel ...................................................................................................................... 40 Multi-channel Fabry Perot ITU referentie .............................................................. 42 Karakteriseren van de OPM in combinatie met de FPIF ........................................ 43 ONTWIKKELING VAN EEN GECOMBINEERDE OPTISCHE BRON: C+L .................... 46 INTEGRATIE VAN DE OPTICAL SWITCH .................................................................. 47 Aansturen van de transoptix 1XN switch................................................................ 48 PCB en hardware..................................................................................................... 48 Software .................................................................................................................. 50 Test results............................................................................................................... 50 Integratie OPM en optical switch............................................................................ 51 ONTWIKKELING VERWERKINGSEENHEID .............................................................. 52 Specificaties van de 2 computer systemen.............................................................. 54 Verbruik van de beide systemen ............................................................................. 54 Prestaties van de beide systemen ............................................................................ 55 Besluiten en bevindingen ........................................................................................ 57 SOFTWARE ONTWIKKELING ................................................................................... 58 INTEGRATIE VAN DRAADLOZE COMMUNICATIE .................................................... 62 De GSM terminal .................................................................................................... 62 Automatisch internetverbinding maken .................................................................. 64 Automatische back-ups maken................................................................................ 66 DE VOEDING ............................................................................................................ 67 DE BEHUIZING ......................................................................................................... 67
5
BATTERIJLADER............................................................................................... 69
5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.4 5.5 5.5.1
OVERZICHT BATTERIJ EIGENSCHAPPEN ................................................................ 69 Inleiding .................................................................................................................. 69 Constructie .............................................................................................................. 69 Principe van elektrochemische reactie betrokken bij batterijen.............................. 70 Eigenschappen......................................................................................................... 71 De vijf belangrijkste karakteristieken ..................................................................... 72 DE BATTERIJLADER ................................................................................................ 76 Inleiding .................................................................................................................. 76 Schema .................................................................................................................... 77 Werking van de MAX712CPE en schema .............................................................. 78 PCB – ONTWERP BATTERIJLADER......................................................................... 83 Inleiding .................................................................................................................. 83 Protel DXP .............................................................................................................. 83 PCB ......................................................................................................................... 84 Componenten .......................................................................................................... 85 Ontwerp zelf............................................................................................................ 85 DE LAADKARAKTERISTIEKEN VAN DE BATTERIJLADER ........................................ 86 HET IMPLEMENTEREN VAN DE BATTERIJLADER IN DE DATALOGGER. ................. 90 Temperatuur ............................................................................................................ 91
5
5.5.2
Plaatsing van de componenten ................................................................................ 91
6
ALGEMEEN BESLUIT ....................................................................................... 95
BIJLAGE 1 MAX712............................................................................................................. 96 LITERATUURLIJST .......................................................................................................... 110
6
INLEIDING De opdracht die ik als laatste jaar moest volbrengen is het uitwerken en afwerken van de FBG – datalogger. Dit is uiteraard ook het onderwerp waarover dit werk handelt. Eerst wordt het stagebedrijf besproken. Je vindt er ook de activiteiten, projecten en het toekomstperspectief van FOS&S terug. Vervolgens wordt er een overzicht gegeven van de basisprincipes waarmee gewerkt wordt. Dit voor zowel de optische vezeltechnologie als de Bragg grating technologie. De Bragg grating technologie is het middelpunt waar alles rond draait bij FOS&S. Het bedrijf ontwikkelt niet alleen sensoren gebaseerd op dit principe, maar ook toestellen waarmee men deze sensoren kan uitlezen. Zo vind je in dit werk het eerste draagbare meettoestel terug van FOS&S, namelijk: de SpectralEye. Dan is het de beurt aan de FBG – datalogger. In het 4de hoofdstuk worden al de hardware onderdelen van de FBG – datalogger naderbij bekeken. Ook de software wordt hier besproken en de performance testen worden onder de loep genomen. Verder wordt de batterijlader die in de FBG – datalogger gebruikt wordt in detail besproken. De batterij en al zijn eigenschappen worden in detail besproken, daarna het schema en de PCB design. Ook worden de testen van het laden en ontladen besproken. Tot slot geef ik een algemeen besluit mee waarin mijn visie ten opzichte van het project wordt uitgelegd.
7
1
HET BEDRIJF
FOS&S (Fiber Optic Sensors & Sensing Systems), anno 2001, is een hoog technologisch bedrijf dat gespecialiseerd is in de ontwikkeling en optimalisatie van optische meetsystemen, sensoren en uitleeseenheden. Het bedrijf werd als I.D. FOS Research opgericht waar ondermeer onderzoek werd gedaan naar de principes van de Fiber Bragg Grating.
Fig. 1.1 Het FOS&S gebouw Gebaseerd op meer dan 14 jaar ervaring van I.D. FOS Research, is FOS&S nu in staat zijn zeer brede kennis op gebied van optische meetsystemen te gebruiken in verschillende industriële takken. Zo zijn ze ondermeer actief in de olie-industrie, procesindustrie, luchtvaart, geologische en mijnindustrie. FOS&S stelt standaard sensoren ter beschikking alsook nieuwe ontwikkelingen gemaakt op vraag van de klant. Het tracht ook de beste klanttevredenheid te bekomen door nieuwe producten en technologieën te ontwikkelen.
1.1
Activiteiten
Het bedrijf FOS&S is actief in de glasvezeltechnologie, meer bepaald met het fiber Bragg grating principe. Dit is een technologie waarbij men een aantal onzuiverheden in een glasvezelkabel aanbrengt. De afstand tussen deze onzuiverheden, ook wel Bragg gratings genoemd, komt overeen met de golflengte van het licht dat in de glasvezel wordt gestuurd. Stel dat er een deel van het licht eenzelfde golflengte bevat als deze van de Bragg gating, dan wordt dit deel gereflecteerd. Houdt men nu nog rekening met de fysische eigenschappen van een glasvezel, bijvoorbeeld de inkrimping en uitzetting ten gevolge van temperatuur of uitrekking, dan wordt het mogelijk fysische grootheden op te meten. FOS&S is verder bezig met fabricage van sensoren. Het ontwikkelt de sensoren tot ze voldoen aan de eisen van de klant. Deze sensoren berusten allemaal op het fiber Bragg grating en SBS – meetprincipe. De gratings zelf worden door een eigen bedrijf, FBGS Duitsland, ontwikkeld. Verder ontwikkelt FOS&S nog unieke uitleessystemen waarvan de verkoop wereldwijd nog steeds groeit. Een voorbeeld hiervan is de SpectralEye en de FBG – datalogger.
8
1.2
Projecten
Aan nieuwe projecten zal het bij FOS&S niet ontbreken. Hun technologie wordt steeds meer in allerhande takken van de industrie toegepast. Enkele voorbeelden 1.2.1
Temperatuurdetectie in elektriciteitsleidingen
Activiteiten op de oceaanbodem zijn te riskant voor de mens. Daarom, worden deze verricht door robots. Deze robots bestuurt men vanuit boorplatformen of schepen op de oceaan. De aansturing gebeurt door zware elektrische kabels die op grote haspels zijn gerold. Het bedrijf Nexans is een ontwikkelaar van deze kabels. Wanneer een robot aan het werk is, vloeien er grote stromen door deze kabels en dat zal tot gevolg hebben dat de kabels opwarmen. Ter beveiliging tegen oververhitting is het nodig dat men de temperatuur constant evalueert.
Fig. 1.2 Logo Nexans FOS&S ontwikkelde daarom een fiber die in de elektrische kabel geïntegreerd wordt. Binnenin de fiber worden op verschillende plaatsen gratings aangebracht. Hiermee is het mogelijk om de temperatuur te meten. Zo weet men steeds wanneer er zich een overlast voordoet en wanneer men de robot moet uitschakelen om een defect te voorkomen.
Fig. 1.3 schip Nordness 1.2.2
Temperatuurdetectie van pijpleidingen op de oceaanbodem
De organisatie Kvaerner Oilfield products deed ook een beroep op FOS&S. Er was nood aan een nieuwe generatie pijpleidingen die de olie-industrie veel geld zou besparen. Samen zochten ze naar een oplossing die relatief snel werd gevonden. Een nadeel van het transport van olie op de zeebodem is dat de olie gaat stollen als hij te koud wordt. Daarom is het noodzakelijk dat men de temperatuur constant controleert. FOS&S ontwikkelde daarom een meetkabel die bij in de pijpleiding gemonteerd wordt en de temperatuur weergeeft over een lengte van soms meer dan 20 kilometer.
9
Fig. 1.4 Meetkabel Het principe waarop deze meetkabel gebaseerd is, is weer het fiber Bragg grating principe. Wanneer een warmteverlies wordt gedetecteerd, dient men de temperatuur in de 3 kleinere geïntegreerde olieleidingen rondom de grote op te voeren. Zo kan men het temperatuursverlies compenseren. FBG - lines
Heat pipes
Fig. 1.5 Doorsnede pijpleiding 1.2.3
Meten van de verplaatsing van een tunnelwand
Met de fiber Bragg gratings kan men niet enkel de temperatuur meten, maar elke fysische parameter. Een groot voordeel van optische strainsensoren is dat ze absolute metingen geven of nog, dat ze kunnen meten ten opzichte van een nulreferentie. Bij traditionele strainsensoren moet er bij elke nieuwe meting terug een referentie ingesteld worden. De optische strainsensoren kan men gebruiken om de verplaatsing van een tunnelwand op te meten. Dit doet men door de sensoren op bepaalde punten in de tunnelwand te monteren.
Fig. 1.6 Sensor in tunnelwand
10
1.2.4
Detectie van aardscheuren
Fabrikant Polyfelt Geosynthetics is samen met FOS&S in zee gegaan om een nieuw product te vervaardigen. Er werd gezocht naar een manier waarmee men aardscheuren en verzakkingen kan detecteren. De oplossing was weer te vinden bij de fiber Bragg gratings. Het ontwerp hiervoor bestaat onder de naam Geodetect, ziet er uit als een doek en is vervaardigd uit een soort textiel met geïntegreerde fibers.
Fig. 1.7 Geodetect De glasvezel volgt de verplaatsing van het textiel bij aardscheuren of dergelijke. Hierdoor gaat de golflengte veranderen. Deze golflengte kan dan opgemeten worden en geeft dan de verlenging of uitrekking van het textiel weer. In volgende figuur wordt het principe van het Geodetect systeem voorgesteld.
Fig. 1.8 Principe Geodetect 1.2.5
Structurele analyse van vliegtuigen
In het kader van het IFSA project (fiber optic sensoren voor In-Flight Aircraft Structural Analysis), is FOS&S in samenwerking met Xenics en Ten Cate Advanced Composites een monitoringsysteem aan het ontwikkelen voor het analyseren van vliegtuigen tijdens stilstand en vlucht op sheer, moeheid en trek. Het systeem meet de krachten en temperaturen van het vliegtuig. Deze metingen tijdens de vlucht zijn belangrijk voor het onderwerp en analyse van vliegtuigstructuren.
11
Omdat men tot op heden nog nooit het materiaal heeft kunnen nameten tijdens de vlucht zelf, is dit een grote vooruitgang in veiligheid, onderhoudskosten, berekening en bepaling van materiaal. Het meetsysteem kan tot 10kHz meten dat uniek is in de wereld.
fig. 1.9 Logo Xenics
fig. 1.10 Logo Ten Cate Advanced Composites
Het vernieuwende van de meting is dat de sensoren deel uitmaken van het materiaal, ze zijn met het composietmateriaal verweven. De fiber is 80 µm en beïnvloedt de structuur niet!
Fig. 1.11 Airbus A380 1.2.6
Kracht – en spanningsmeting in een satelliet
In samenwerking met de European Space Agency (ESA), Xenics en UGent heeft FOS&S een nieuw meetsysteem ontwikkeld de Multi – Axial Stress and Strain thermo hardened composiet elements using Fiber Optic Sensors (MASSFOS).
Fig. 1.12 Logo ESA
Fig. 1.13 Logo UGent
Meten van het ontstaan en groeien van schade in de composiet materialen is enkel mogelijk als alle krachten in het materiaal gekend zijn. Dus een meting in 1 draad (single axial) is onvoldoende. Daarom is er een speciaal interrogation systeem en sensor configuratie ontwikkeld. Traditionele sensoren meten in één richting, maar met deze nieuwe configuratie kan men meerdere assen meten (multi axiaal). De sensoren worden weer ingewerkt in het materiaal zelf voor zeer betrouwbare metingen.
12
Het systeem maakt online monitoring van het materiaal mogelijk en daarom wordt het een belangrijk onderwerp in ruimtevaart technologie.
1.3
Doel
De vooruitzichten van FOS&S zien er goed uit. De technologie raakt meer en meer ingeburgerd en steeds meer bedrijven doen beroep op FOS&S. Hun gamma aan meetsystemen breidt zich verder uit. Ook willen ze een wereldwijde referentie worden voor oplossingen binnen de markt van glasvezelsystemen. Dit zowel voor standaard als niet-standaard meetapplicaties.
13
2
WERKINGSPRINCIPE
In dit hoofdstuk komen de principes van glasvezelsensoren aan bod. Zo wordt de werking van de FBG – datalogger verduidelijkt.
2.1
Glasvezel
2.1.1
Geschiedenis
In 1870 gebruikte John Tyndall een waterstraal die vloeide uit een ton en die terecht kwam in een andere ton om aan te tonen dat lichtstralen afbuigen. Toen het water uit de bovenste ton kwam, stuurde Tyndall een lichtstraal door de opening. Hij stelde vast dat de lichtstraal een zigzagweg aflegde. De lichtstraal maakt gebruik van interne reflectie om de specifieke weg af te leggen. Dit eenvoudige experiment is duidelijk op volgende figuur weergegeven. Dit is dan ook het begin van het onderzoek van geleide transmissie door licht. De experimenten werden doorgezet door onder andere Alexander Graham die de “photo phone” uitvond, een optisch systeem om stemtransmissie uit te voeren. Deze technologie staat beter bekend als “free-space optical”. In 1950 werd voor het eerst gebruik gemaakt van glasvezel om het licht te transporteren. Toen in 1960 de eerste laser werd uitgevonden en deze sterk werd verbeterd in de jaren ’60 – ‘70, mede door de opkomst van halfgeleiders, werden in de late jaren ’70 en de vroege jaren ’80 in de hoofdtelefooncentrales glasvezelsystemen geïnstalleerd. Door de stijgende opkomst van grote bandbreedte voor internettoepassingen word veelvuldig gebruik gemaakt van de glasvezel techniek.
Fig. 2.1 experiment van John Tyndall 2.1.2
Soorten
De glasvezel is een dunne buigzame draad van glas, waarin een lichtbundel zich kan voortplanten. De glasvezel bestaat uit een kern (core) met een bepaalde
14
brekingsindex met daar rond een bekleding (cladding) met een andere breking index. Dit verschil in brekingsindex zorgt ervoor dat de lichtstraal binnen deze kern gereflecteerd wordt. Bij de glasvezel kan men een onderscheid maken tussen drie typen: step-index multimode, step-index singlemode en graded-index multimode. 2.1.2.1
Step-index multimode vezel
De multimode vezels hebben een relatief grote kerndiameter, tussen de 50 en 100 micrometer, en een claddingdiameter tussen de 120 en 200 micrometer. Deze afmetingen zijn zowel geldig voor de step-index multimode vezel als voor de gradedindex multimode vezel. Door deze relatief grote kerndoorsnede kunnen er meerdere lichtstralen onder verschillende hoeken de kabel binnentreden. Hierdoor ontstaat er verstrooiing van licht in de kern. Bij digitale signalen heeft dit tot gevolg dat een signaalpuls aan het einde van de kabel breder is dan de verzonden signaalpuls. Met het gevolg dat een beperkte bandbreedte mogelijk is (ongeveer 200 MHz). De demping van de kabel ligt in de ordegrootte van 10 tot 50 dB per km, wat veel is. 2.1.2.2
Graded-index multimode vezel
De graded-index multimode kabel heeft een kern waarvan de brekingsindex van binnen naar buiten afneemt. Het gevolg is dat het ingestraalde licht ook afbuigt. De afstand die een lichtstraal langs de randen aflegt is groter dan de afstand van de lichtstraal die door het hart van de kern gaat. Daar staat tegenover dat de brekingsindex van het glas in het hart groter is. Door de lagere brekingsindex zal de snelheid van het licht langs de randen groter zijn dan in het hart van de kern. Bij dit type kabel treedt er geen pulsverbreding op. Deze kabel heeft een bandbreedte van 200 MHz tot 3 GHz en een demping van 7 tot 15 dB per kilometer. 2.1.2.3
Singlemode vezel
De singlemode vezel heeft een zeer kleine diameter van 6 tot 9 micrometer en een cladding van 125 micrometer. De lichtstralen kunnen daardoor slechts recht de kabel binnentreden. Hierdoor ontstaat er in de kabel geen verstrooiing van het licht, en treedt er geen pulsverbreding op. De bandbreedte bij een singlemode vezel kan oplopen tot verschillende tientallen GHz over tientallen kilometer. Men spreekt dan over een bandbreedte van 3 tot 50 GHz. Bij dit type van vezel varieert de demping van 0,2 tot 2 dB per kilometer. Voor de toepassingen in het labo gebruikt men een singlemode vezel waarvan de kern is samengesteld uit glas.
15
Fig. 2.2 vezel De core is van ordegrote 5–9 µm, de clading is 125 µm en de buffer 250µm
Fig. 2.3 transmissie in een glasvezel 2.1.3
Verliezen
Wanneer het licht zich in de glasvezel gaat voortbewegen, treedt er verlies op van zijn intensiteit. Men streeft ernaar om kabels te gebruiken die een zo klein mogelijke demping geven aan het signaal. Men gebruikt bijgevolg de singlemode vezel waardoor de demping varieert tussen 0,2 en 2 dB per kilometer. De grootste oorzaak van deze verliezen zijn de onzuiverheden in het glas die het licht gaan absorberen en verstrooien. Deze strooiverliezen nemen proportioneel af bij toenemende golflengte. Men tracht dan ook om gebruik te maken van een zo zuiver mogelijke glasvezel. Een andere bron van verlies in de vezel is de buiging van de vezel. Deze buiging geeft aan het licht de mogelijkheid om de kern te verlaten en over te gaan in de
16
cladding. Hoe kleiner de buigingsstraal, des te groter de verliezen. Hierdoor is het aan te raden om de buigingsstraal steeds groter te nemen dan 30mm. Ten slotte is de golflengte van het licht tevens verantwoordelijk voor de demping van het signaal. De absorptie varieert namelijk met de verschillende golflengtes. Voor een golflengte van 850 nm zijn de verliezen 4 - 5 dB per kilometer. Bij 1300 nm neemt het verlies af tot 3 dB per kilometer. De golflengte waarmee men gaat werken ligt rond de 1550 nm. Deze golflengte is ideaal voor het doorzenden van het licht over lange afstanden omdat de verliezen beperkt blijven tot minder dan 1dB per kilometer. 2.1.4
Eigenschappen
De glasvezel heeft superieure kwaliteiten ten opzichte van netwerken met koperkabels. Hieronder worden de belangrijkste eigenschappen van glasvezel opgesomd. Voordelen: -
Een grotere overdrachtscapaciteit en getrouwheid dan bij koperdraad of coaxkabel,
-
Is volledig immuun tegen praktisch alle soorten van storingen (EMC).
-
Niet onderhevig aan corrosie,
-
Bij het transporteren van licht door de glasvezel is er op geen enkel moment gevaar voor vonkvorming, zelfs in de meest explosieve omgeving is er geen risico op vuur. Geen gevaar voor elektrocutie,
-
De smelttemperatuur van glas ligt op 1000°C.
-
Passief element
-
Goedkoop
Nadelen:
2.1.5
-
Zonder de coating, fragiel,
-
Het aan elkaar lassen (splice) van glasvezels en het aansluiten van de kernen op connectoren vraagt nog steeds de nodige vaardigheid en kennis Vezelconnecties
Wanneer je glasvezels aan elkaar of aan connectoren gaat koppelen, is het uiterst belangrijk dat de vezeluiteinden bestaan uit een rein, vlak oppervlak loodrecht op de as van de vezel. Dit kan bekomen worden door de vezel te klieven. Dit is een procedure waarbij men eerst de beschermlaag moet verwijderen en een kras moet
17
maken op het oppervlak. Hierdoor creëert men een zwak punt waardoor de vezel gemakkelijk kan gebroken worden. De kras wordt aangebracht door middel van een apparaat dat voorzien is van een slijpwieltje met een diamantbekleding. Let op dat de vezel niet vuil wordt. Om de vezelvlakken correct aan elkaar te zetten, zijn er twee methodes: verlijmen en lassen. Als je vezels verlijmt, zijn nog enkele variaties mogelijk om beide vezeleinden exact aan te sluiten en ze dan met optische lijm duurzaam te hechten. Lijmverbindingen zijn technisch minder omslachtig dan lasverbindingen maar veroorzaken wel iets grotere overgangsverliezen. Om vezels op een snelle en flexibele manier met elkaar te verbinden, maakt men gebruik van connectoren. Deze zijn meestal gebaseerd op ferrules. Dit zijn cilindrische of conische stukken metaal voorzien van een centrale holte, waar de vezel precies in past. De ferrules passen op hun beurt in de connectorblokken, zodat de vezels in de ferrules exact over elkaar uitkomen. Een groot assortiment aan connectoren is mogelijk.
Fig. 2.4 Klieven van glasvezels
Fig. 2.5 Vezelconnectoren 2.1.5.1
Lijmverbinding
Bij een lijmverbinding wordt een lijmstof tussen beide vezeluiteinden aangebracht. De lijm gaat de verbinding verstevigen en deze ook volledig omsluiten. Meestal gebruikt men een glazen buisje om de uiteinden correct te lijmen. Bij deze methode plaatst men de vezeluiteinden tegen elkaar en omsluit men dit met het buisje. Via een kleine trechtervormige opening dient men de lijm in het nauw omsloten buisje toe.
18
Fig. 2.6 Lijmverbinding De lijmverbinding wordt stilaan verdrongen door de thermische verbinding. Nochtans bewijst het zijn nut nog steeds in toepassingsgebieden waar geen vonk mag gemaakt worden. 2.1.5.2
Gelaste vaste verbinding
Gelaste verbindingen, die men ook splicen noemt, zijn nodig wanneer een uiterst minimale overgangsdemping vereist is. Deze demping kan tot minder dan 0.1 dB per connectie gaan. Men maakt hierbij gebruik van automatische lasapparatuur welke steeds voor een kleinere verbindingsdemping zorgen. Via nauwkeurige cameraatjes is het mogelijk de twee uiteinden te verbinden. Bij deze procedure is het noodzakelijk dat er een extra smelttemperatuur opgewekt wordt die door een lichtboog wordt bereikt. Het technische verloop voor de aanmaak van een lasverbinding kan gevolgd worden aan de hand van figuur 2.8. Nadat men de buitenmantel verwijderd heeft, maakt men een kras in de vezel. Met behulp van het krastoestel, breekt deze dan ook. Nu dient de vezel in de v-groef van het lasapparaat gespannen te worden en het lasproces te starten. Met behulp van xyz-micromanipulatoren gaat het lasapparaat de vezels tegen elkaar plaatsen. Dit kan men ook volgen op de camera. Het lasproces duurt maar enkele seconden. Afhankelijk van de dikte van de fiber worden de uiteinden dicht bij elkaar gebracht en verhit. Door de vervorming en uitzetting smelten de 2 vezels aan elkaar. Om de las te beschermen, brengt men na het lassen een omhulsel aan. Als men vezels gaat lassen, is de lichtboogtemperatuur en de tijdsduur van uiterst belang. Fouten hierbij leiden tot een verkeerde splice. Men krijgt hierdoor een groot vermogenverlies.
Fig. 2.7 Lasapparatuur met camera
19
Fig. 2.8 Lasprocedure
2.2
Fiber Bragg Grating
De bekendste soort van glasvezel is de optische geleider van digitale signalen. Deze worden zeer veel toegepast, denk maar aan telefonie en Internet. Maar er zijn glasvezels die tot veel meer in staat zijn. De eigenschappen van behandelde glasvezel wijzigen onder druk, kracht, temperatuur en vochtigheid. Door deze metingen te verwerken kan men meetunits bouwen. Omdat glasvezelkabels zo dun, flexibel en licht zijn kunnen ze verwerkt worden in materiaal. Zo kan men ze inwerken in bijvoorbeeld het materiaal van een vliegtuigvleugel en de krachten, temperatuur… gaan opmeten. De temperatuur in een oliepijp continu nameten zonder ontploffingsgevaar (er is enkel maar licht). Zo zijn er eindeloos veel toepassingen. 2.2.1
Wat is een Fiber Bragg Grating?
Bragg gratings of roosters zijn periodieke veranderingen van de brekingsindex van de kern van een glasvezel. Deze veranderingen brengen reflecties teweeg bij licht met een bepaalde golflengte, namelijk de Bragg golflente. Wanneer licht met een breed bereik van golflengten in een vezel met grating wordt gestuurd, treedt er een
20
reflectiepiek op rond de Bragg golflengte. Een vereiste hierbij is wel dat het spectrum van het licht dat in de vezel gekoppeld wordt, voldoende vermogen vertoont rond deze golflengte. De Bragg golflente is te berekenen met onderstaande formule. λb =2.neff.Λ Hierin is λb de Bragg golflengte, neff het effectieve gemiddelde brekingsindex van een vezel welke gelijk is aan de gemiddelde brekingsindex van de kern van de vezel en Λ de periode van de grating. Het werkingsprincipe wordt hieronder weergegeven. Hierin kan men zien dat er breedbandig licht in de grating wordt gestuurd. De Bragg grating veroorzaakt een reflectiepiek welke te zien is links onder op de volgende figuur. Aan de uiteinden verschijnt dan een spectrum zonder de gereflecteerde golflengte omwille van de Bragg grating. Indien men meerdere gratings met dezelfde Bragg golflengte in één enkele glasvezel onderbrengt, dan overlappen de golflengtes elkaar en wordt het zeer moeilijk om een onderscheid te maken welke grating welk signaal terugstuurt.
Fig. 2.9 Werkingsprincipe Bragg grating Door de lengte van de grating te verhogen, gaat de reflectiepiek of het gereflecteerde vermogen ook verhogen. Figuur 2.10 toont het spectrum van gratings met verschillende lengten van respectievelijk 1, 2 en 5mm. Uit de figuur blijkt dat de reflectiepiek verhoogt naarmate de lengte van de grating stijgt.
Fig. 2.10 Reflectievermogen bij een Bragg grating
21
Uit bovenstaande figuur kan afgeleid worden dat de hoogte van de zijbanden van de gereflecteerde piek stijgt naarmate de lengte van de grating toeneemt. Dit is een negatief effect. Als het vermogen van deze banden te groot is, zorgt de opmeting van de piekgolflengten voor problemen bij de meettoestellen. De zijbanden bezorgen ook interferentie of crosstalk bij sommige toepassingen van WDM-technieken (wavelength division multiplexing). De lengte van de gratings is dus wel een aandachtspunt en kan leiden tot hoge kosten. Als de amplitude van de brekingsindex verhoogt wordt, krijgt men een snellere toename van de piekreflectie. Dit veroorzaakt bij een verlenging van de grating een lichte versmalling van de piek. Als men Bragg gratings als sensor gebruikt, dient men de piekgolflengte uiterst nauwkeurig te bepalen omdat een brede piek niet van toepassing kan zijn. Voor telecommunicatie toepassingen waar je licht over een bepaald golflengtebereik wenst te reflecteren, kan dergelijke grating interessant zijn. 2.2.2
Theoretische bepaling van de Bragg grating
De theoretische achtergrond wordt in dit onderdeel aan banden gelegd zowel als de invloed van verschillende fysische parameters en de daardoor beïnvloedde gereflecteerde golflengten. Bragg gratings zijn buigingselementen die in een in Germanium-gedrenkte kern van een glasvezel wordt aangebracht. Deze sensoren reflecteren een smal spectrum (150 – 200 pm) van het ingestuurde licht wat één van de belangrijkste eigenschappen vormt van Bragg gratings. De gereflecteerde golflengte is ook afhankelijk van de aangelegde rek en temperatuur. Uit volgende figuur kan afgeleid worden dat het mogelijk is om gratings in serie te plaatsen (multiplexen, WDM). Wel moet voorkomen worden dat de golflengten van gratings elkaar niet overlappen. Dit zou verkeerde metingen veroorzaken. Dit kan vermeden worden door de extreme golflengten te zoeken. Het in serie schakelen kan nuttig zijn als men meerdere sensoren wil opmeten met één meettoestel. Zo kan men tot 128 sensoren meten op 1 meetlijn.
22
Fig. 2.11 Basisprincipe Bragg grating 2.2.2.1
Invloed van de rek
De piekreflectie met zijn golflengte is afhankelijk van de periode van de veranderende brekingsindex in een grating. Hierdoor weet men dat indien de periode van de brekingsindex verandert, de gereflecteerde golflengte mee zal wijzigen. Dus als de grating gaat uitrekken, zal de golflengte van het gereflecteerde licht toenemen. 2.2.2.2
Invloed van temperatuur
Alle materialen bezitten fysische eigenschappen waardoor ze uitzetten of inkrimpen bij een variërende temperatuur. Hetzelfde gebeurt ook bij glas. Dus bij een temperatuurswijziging zal de lengte van de grating veranderen, waardoor de periode van de grating ook zal wijzigen. Dit heeft dan tot gevolg dat de golflengte van de reflectiepiek ook verandert (10 pm/°C). De invloed van de temperatuur op een grating brengt minder verschuiving met zich mee dan de invloed van de rek (1,2 pm/µε). Deze eigenschap heeft tot gevolg dat bij vervaardiging van strainsensoren (om verplaatsing op te meten) geen rekening moet gehouden worden met de temperatuur (wel bij hoge resolutie strain sensoren). Bij extreme temperatuursschommelingen kan hiermee best rekening gehouden worden anders gaat de nauwkeurigheid verminderen. Dan plaatst men 2 FBG’s per sensor. Ééntje voor temperatuur en de andere voor de parameter.
23
2.2.2.3
Gebruik van fiber Bragg gratings
Algemeen kan men zeggen dat een fiber Bragg grating als sensorelement kan fungeren. Dus verschillende sensoren samenstellen uit meerdere gratings is mogelijk. Vele voordelen van glasvezel vind men ook terug bij de optische sensoren wanneer men deze gaat vergelijken ten opzicht van elektronische of andere sensoren. 2.2.3
Grafische voorstelling van de Bragg grating
Het basisprincipe van de Bragg gratings werd al besproken. Nu wordt dit grafisch besproken. - eerst wordt er een lichtspectrum in de vezel gestuurd;
dit spectrum zal de Bragg grating tegenkomen en men verkrijgt een gereflecteerde golflengte door de FBG. Het volgende beeld geeft dit duidelijk weer voor een vezel die nog niet onder spanning staat;
-
wanneer de vezel voorzien wordt van een kracht zal de brekingsindex van de Bragg grating worden aangepast en zal ook de gereflecteerde golflengte verschuiven (in dit voorbeeld de periode vergroten).
24
2.2.4
Optische sensoren
FOS&S vervaardigt verscheidene soorten sensoren, waaronder temperatuur-, strain(verplaatsing), en druksensoren. Een klein overzicht hiervan volgt. 2.2.4.1
Temperatuursensoren
Temperatuursensoren bestaan uit een metalen behuizing waarin een grating is aangebracht. De temperatuursverandering van de behuizing heeft ook invloed op de grating. De reflectiepiek gaat dus veranderen wanneer het metaal een temperatuursverandering ondergaat.
Fig. 2.12 Temperatuursensor Bij de vervaardiging van een sensor moet rekening worden gehouden met verschillende aspecten zoals de invloed van temperatuur (uitrekken en inkrimpen), invloed van rek. Een kalibratie is dus bij elke sensor vereist. Dit gebeurt bij FOS&S door de sensoren in een temperatuurskast te hangen waarin men ze onderwerpt aan verschillende temperaturen. Hierdoor wordt het verband gezocht tussen temperatuur en de overeenstemmende golflengte wat lineair moet zijn zonder hysteresis. De sensorresolutie is 0,04°C met een temperatuurrange van -40°CÆ180°C. Speciale sensoren kunnen een bereik hebben tot 900°C. 2.2.4.2
Strainsensoren
Met een strainsensor is het mogelijk om verplaatsingen of uitrekking op te meten. Bij de vervaardiging wordt er gebruik gemaakt van een veer waardoor de grating bij extreme uitrekking niet stuk zal gaan. Doordat de veer uitrekt, gaat de grating mee uitrekken en verandert de golflengte. Hierdoor kan de verplaatsing opgemeten worden. Er dient wel een goede kalibratie te zijn van boven- en ondergrens. Voor de reeks zonder veer is de hoge strain maximum 3000 µε met een resolutie van 0,65 µε. De invloed van temperatuur op strainsensoren is minder groot als deze van verplaatsing waardoor de temperatuursinvloed kan verwaarloosd worden. Er wordt wel getracht om strainsensoren volledig temperatuursonafhankelijk te maken door 2 FBG’s te gebruiken waarvan één voor temperatuurcompensatie. Een groot voordeel van optische strainsensoren is dat ze absolute metingen geven of nog, dat ze kunnen meten ten opzichte van een nulreferentie. Bij traditionele strainsensoren moet men bij elke nieuwe meting terug een referentie bepalen. Een ander voordeel is dan weer dat grotere afstanden kunnen overbrugd worden. Er is ook maar één kalibratie nodig om de 20 jaar, omdat het een passief element is.
25
Fig. 2.13 Strainsensor 2.2.4.3
Druksensoren
Een druksensor heeft ook een relatief eenvoudig principe. Een grating die aan druk blootgesteld wordt, zal een verandering van golflengte teweeg brengen. Dit is eigenlijk hetzelfde effect als bij de invloeden van temperatuur en rek. Maar voor druk is de fiber Bragg grating minder gevoelig. Een druksensor en een strainsensor bevatten twee gratings. Eén grating die de te meten grootheid opmeet en één die de temperatuur zal opmeten. De druk stelt men vast door de vervorming van de behuizing op te meten.
Fig. 2.14 Druksensor De druksensor die hier wordt voorgesteld heeft een membraan. Door de druk zal het membraam vervormen en gaat de fiber rekken of ontspannen. Deze werkwijze geeft veel nauwkeuriger metingen en men kan tot 200 Bar meten met een nauwkeurigheid van 0,4% full scale. 2.2.4.4
Keuze van een Bragg grating sensor
Een Bragg sensor heeft een zo smal en hoog mogelijke piek zodat de golflengte ervan goed kan bepaald worden. Er zijn twee mogelijkheden om de reflectiepiek te verhogen. -
de lengte van de grating te verhogen; de amplitude van de verandering van brekingsindex verhogen.
De eerste mogelijkheid heeft als nadeel dat de hoogte van de zijbanden toeneemt bij toenemende lengte. Dit bemoeilijkt de detectie van de piekgolflengte. De tweede mogelijkheid heeft als minpunt dat de breedte van de reflectiepiek toeneemt naarmate de amplitude van de brekingsindex toeneemt. Naast deze eisen betreffende de vorm van het spectrum dient men nog een aantal praktische eisen in acht te nemen. Zo moet de sensor bijvoorbeeld op een degelijke wijze in een
26
betonconstructie kunnen geïntegreerd worden. Ook het economische aspect mag niet uit het oog verloren worden. Samenvattend worden volgende eisen gesteld: -
de grating moet een voldoende smalle en hoge reflectiepiek hebben; het niet sensorgedeelte van de glasvezel moet voldoende beschermd zijn zodat deze niet beschadigd wordt; de glasvezel moet zonder beschadiging aan het uitleestoestel kunnen verbonden worden; de sensor dient bij voorkeur zo goedkoop mogelijk te zijn.
2.2.4.5
Specificaties van een Bragg grating
In onderstaande tabel worden de specificaties van de door FOS&S gebruikte gratings voorgesteld. Er wordt ook aangeraden om hun eigen meetsysteem te gebruiken om het gereflecteerde licht te analyseren. De mogelijkheden van deze FBG-units (Fiber Bragg Grating Interrogation Unit) zijn: -
Het heeft de mogelijkheid tot multiplexing en herkenning van verschillende sensoren; De FBG-unit heeft een golflengte bereik van 1530nm tot 1570nm. verlenging van de Bragg grating:
0,8cm volgens de vezel
maximale weerspiegeling:
5 – 99 %
breedte van de Bragg grating golflengte:
kunnen gespecifieerd worden (kenmerkend is 0,15 - 0,36nm)
piekgolflengte:
tussen 1530 – 1570nm zijn alle golflengten mogelijk
Vezelsterkte:
>7% psi
recoating van de Bragg grating:
2.2.5
polyimide of ORMOCER (buitendiameter ≈ 250 µm)
temperatuur gevoeligheid:
10 pm/°C
strain gevoeligheid:
1,2 pm/µε
Golflengtemultiplexing (WDM)
De golflengtemultiplexering bij sensorapplicaties gebeurt door een specifieke golflengte toe te wijzen aan elke sensor. Al deze golflengtes die de Bragg grating gaan onderzoeken worden allemaal in dezelfde glasvezel gestuurd. Zolang Bragg gratings een specifieke golflengte reflecteren, kunnen meerdere gratings in een vezel achter elkaar of in een ster opstelling gemultiplexeerd worden. Om cross-talk te voorkomen zal elke sensor een specifieke golflengteband toegewezen krijgen. Bovendien zal elke band breed genoeg moeten zijn om overlapping te voorkomen. Door vervolgens gebruik te maken van een breedbandige bron kunnen alle sensoren (gratings) worden ondervraagd over eenzelfde fiber.
27
Fig. 2.15 golflengte verschuiving door druk, rek, of temperatuur 2.2.6
Lichtbronnen
Bij Fos&s maakt men gebruik van een Sled in hun meetsystemen. De Sled straalt licht uit met een bandbreedte tussen de 1520nm en 1580nm. Zo is het mogelijk meerdere gratings tegelijkertijd uit te lezen.
Fig. 2.16 SLED Breedbandige lichtbronnen zoals de Sled zijn verkrijgbaar met bruikbare golflengten van zestig nanometer of meer. Bij de WDM-techniek wordt 0,3nm verondersteld voor elke fiber waardoor er 120 sensoren uitgelezen kunnen worden met behulp van één enkele lichtbron.
28
3
SPECTRALEYE
Voordat de FBG – datalogger wordt besproken in dit hoofdstuk zal zijn voorganger, de SpectralEye, onder de loep genomen worden. Dit toestel is een zeer compact 1 kanaal FBG- meetunit.
3.1
Geschiedenis
Anno 2002 zag FOS&S de nood in van een compact en draagbaar meettoestel om fiber Bragg gratings uit te lezen. Na enig onderzoek naar de eigenschappen en de verschillende toepassingendoeleinden zijn ze tot een resultaat gekomen. Ook wordt er op de prijs gelet, deze moest namelijk betaalbaar blijven. Zo kwam men uiteindelijk bij het bedrijf Axsun voor de optische filters omwille van de goede prijs/kwaliteit verhouding. Verder moest er ook een apparaat aanwezig zijn dat de data kan verwerken in het meettoestel. Hiervoor werd een pocketpc gekozen. Het bedrijf Deltatec staat aan de basis van de behuizing en de elektronica. Anno 2003 was het toestel klaar en werd het op de markt gebracht. Omstreeks oktober 2003 werd het toestel door general manager Marc Voet voorgesteld op de conferentie van optical sensing in Japan.
Fig. 3.1 De SpectralEye
3.2
De optical monitor
De optical monitor bevindt zich in de SpectralEye, met deze kan men de reflectiepiek van een grating opmeten en ontleden. Zo kan bijvoorbeeld een optisch spectrum opgemeten worden. Door instellingen van de optical monitor te wijzigen, kan de vorm van de reflectiepiek veranderd worden. De optical monitor kan gezien worden als een microcomputer. Met de pocketpc kan men commando’s geven waardoor een bepaalde meting uitgevoerd kan worden. De optical monitor leest, verwerkt en stuurt zijn data door naar de pocketpc. Via een standaard seriële verbinding gebeurt de communicatie tussen beiden.
29
3.2.1
Samenstelling
Onderstaande figuur 3.2 geeft de optical monitor van Axsun weer. Sommige belangrijke onderdelen zijn hierin aangebracht en worden verder besproken.
Fig. 3.2 De Optical monitor 3.2.1.1
De acutune tunable filter
Een onderdeel van de optical monitor is de regelbare filter die het binnentredende licht analyseert. Nanotechnologie werd gebruikt voor de opbouw van de filter. De filter is samengesteld uit zeer kleine elektronische componenten, spiegeltjes en lenzen.
Fig. 3.3 Acutune tunable filter 3.2.1.2
De seriële interface
De communicatie tussen de optical monitor en de andere onderdelen van de SpectralEye verloopt via een standaard seriële interface. Deze werd oorspronkelijk gebruikt om te communiceren tussen computer en modem. Vandaag de dag wordt de seriële interface echter bij veel meer toepassingen gebruikt voor communicatie met de computer. De SpectralEye maakt gebruik van de seriële interface van de pocketpc die voor de communicatie tussen het meettoestel en de uitleeseenheid zorgt. Een extra seriële interface is aangebracht op de SpectralEye zodat het mogelijk wordt met andere toestellen bijvoorbeeld een computer, te communiceren.
30
3.2.2
Firmware
De optical monitor is voorzien van firmware wat eigenlijk als het besturingssysteem kan worden gezien. De firmware bevat het protocol van alle commando’s waarmee men de optical monitor kan besturen. De firmware werd geschreven door de firma Axsun, welke ook de producent is van de optical monitor. Zij ontwikkelen steeds nieuwe updates voor de firmware zodat er meer mogelijkheden en commando’s kunnen worden uitgevoerd.
3.3
De Led
De led in de SpectralEye zorgt voor de belichting van de gratings. De led stuurt namelijk licht in de glasvezels. De reflectiepiek die de Bragg grating terug stuurt, wordt dan ontleed in de optical monitor.
Fig. 3.4 De led Men dient wel voorzichtig met de led om te gaan. De led straalt namelijk een onzichtbaar (infrarood) licht uit dat schadelijk is voor de ogen. Daarom dient de led steeds goed afgeschermd te zijn wanneer er geen glasvezels op aangesloten zijn. 3.3.1
Breedbandige lichtbron
De gebruikte led in de SpectralEye is in staat een breedbandig lichtsignaal uit te sturen. Dit lichtsignaal is nodig om meerdere sensoren tegelijkertijd uit te lezen. De led in de SpectralEye dient te werken in de C-band. Dit zijn de golflengten tussen 1530nm en 1570nm. Deze golflengten bevinden zich in het infrarode gebied. Onderstaande figuur 3.5 geeft het door de led uitgestraalde vermogen in functie van de golflengte. Uit de figuur blijkt ook dat het vermogen van de golflengte rond de 1550nm het hoogste ligt. Indien men echter ideale metingen moet uitvoeren, is het noodzakelijk dat de golflengten tussen de 1530nm en 1570nm met éénzelfde vermogen uitgestraald worden. Een gevolg bij de gratings kan zijn dat het vermogen rond de 1550nm sterker gemeten wordt. Dit is echter geen groot probleem, omdat niet het vermogen maar de golflengte van de reflectiepiek van belang is. De optical monitor bezit een mode waarbij rekening gehouden wordt met de ongelijkheid van vermogens. Deze mode noemt het deconvolved spectrum. Bij de deconvolved mode wordt tevens nog rekening gehouden met het niet ideaal zijn van de led en van de optische filter in de optical monitor.
31
Fig. 3.5 vermogen bij bepaalde golflengten van een led
3.4
De optical coupler
De optical coupler voorkomt dat er gereflecteerd licht van de grating terug wordt gestuurd naar de led. Wel stuurt hij het licht naar de optical monitor die op zijn beurt het licht ontleedt. Met behulp van de optical coupler worden optical monitor, led, sensoren en referentiegrating met elkaar verbonden.
Fig. 3.6 Optical coupler
3.5
De referentiegrating
Als gevolg van veroudering van apparatuur en externe invloeden zoals de temperatuur, kunnen de meetresultaten afwijken. Daarom zijn er twee referentiegratings aangebracht. Met deze gratings wordt het mogelijk de grootte van de fout vast te stellen bij een meting. Op basis van deze fout kan men dan de andere metingen verbeteren.
32
3.6
De batterij
De batterij van de SpectralEye zorgt voor de stroomvoorzieningen van alle componenten. Enkel de pocketpc beschikt over een eigen batterij die bij een te lage capaciteit bijgeladen wordt door de batterij van de SpectralEye.
3.7
PocketPC
Voor de ontwikkeling van de SpectralEye werd er bij FOS&S gekozen voor een pocketpc. Hiermee is het mogelijk om via een seriële interface van de pocketpc gegeven binnen te halen van de optical monitor en deze dan te visualiseren. Door aangepaste software van de pocketpc en optical monitor kunnen commando’s aan elkaar door gegeven worden.
Fig. 3.7 Pocketpc 3.7.1
Eigenschappen
De pocketpc waarmee men de SpectralEye bestuurt is een HP Ipaq. Het toestel is eveneens voorzien van Bluetooth en Wifi. Beide maken ze het de pocketpc mogelijk data te verzenden en ontvangen via draadloze verbindingen. Het kleurenscherm van de pocketpc zorgt voor een betere visualisatie van de grafieken.
3.8
Besturingssysteem
Elke type computer dient voorzien te zijn van een besturingssysteem. Bij de pocketpc is dit Microsoft Windows CE. Dit type besturingssysteem werd speciaal ontworpen om te draaien op dit soort computers. Veel eigenschappen van dit besturingssysteem komen overeen met die van een gewone Windows versie.
33
4
FBG - DATALOGGER
In dit hoofdstuk wordt de werking van de datalogger en de componenten die daarvoor nodig zijn uitgelegd. In onderstaande figuur wordt een blokschema weergegeven hoe de datalogger de Fiber optische sensoren gaat uitlezen.
Optical Switch
C+L SLED
COUPLER 2X2
OPM Axsun
Reference CELL
Fig. 4.1 Datalogger diagram Uitmeten van de sensoren en gratings gebeurt door de datalogger in reflectie. Dit wil zeggen dat er eerst een breedbandig signaal door een C+L band SLED moet worden uitgezonden. Dit signaal wordt door een coupler gestuurd. Deze coupler is in staat om dit breedbandig signaal te delen (energie) in twee delen. Één deel gaat naar de (eventuele) referentiecel, dit is een gas cel die een zeer nauwkeurige golflengte heeft. Door deze cel kan men bekomen dat de metingen met een hogere nauwkeurigheid kan gebeuren door de OFM Axsun Optical Performance Monitor. Het andere deel van het breedbandig signaal wordt naar de Optical Switch geleid, welke op zijn beurt het signaal doorstuurt naar een kanaal dat op dat moment gekozen is. De kanalen die men kan kiezen met de optical switch zijn ook de ingangen van de datalogger waar de sensoren kunnen aangesloten worden. Er is keuze tussen 8, 12 of 16 ingangen, afhankelijk van de gebruikte optical switch. Het gereflecteerde signaal van de reference cell wordt naar de OPM module geleid en wordt gebruikt voor de calibratie van het systeem. Via de optical switch zal ook het gereflecteerde signaal van het gekozen kanaal naar de OPM module geleid worden en het wordt gebruikt om de golflengte die van de sensoren komt uit te meten . Al deze componenten werden ontwikkeld, geëvalueerd en geïntegreerd in de datalogger. De componenten moeten compatibel zijn met elkaar en controleerbaar vanuit een centrale embedded computer.
34
4.1
Evaluatie, karakterisering en modificatie van de OFM van Axsun
Zoals reeds is aangehaald, is de OFM van Axsun technologies. Het is een C+L band optische monitor (OPM). Zo’n toestel, de OM1 die de C-band kan uitmeten, was al eerder in gebruik bij het bedrijf Fos&s. Dus heeft men al veel ervaring met deze Optical Performance Monitors. De OPM is het hart van de datalogger. Het is een zeer kleine optische spectrum analyzer dat de intensiteit (energie) per golflengte meet. Het toestel kan de golflente en de energie van de gereflecteerde golf meten. Dus je kan het spectrum, het vermogen spectrum en de signaal – ruisverhouding meten. De data van deze meting wordt via de standaard RS232 seriële communicatie naar de computer gezonden. Door de omgevingstemperatuur en een volledige DSP zelfkalibratie, verzekert men een nauwkeurig vermogen en frequentie bepaling. Om deze prestaties te krijgen is het hart van de OPM, de photonic bench die micro – optica en DE LIGA micro – aligmentstructuur, gebruikt van MEMS Fabry Perot afstelbare filter. Deze technologie maakt het mogelijk om al de vezel optische componenten te reduceren tot één voetprint en dit vermindert de ruimte die nodig is extreem voor de PCB. Dit maakt de OPM zeer geschikt voor de ontwikkeling van de datalogger. In onderstaand figuur is de OFM van Axsun weergegeven. De dimensies van de behuizing zijn 105mm X 70mm X 15mm (B X D X H).
Fig. 4.2 OFM Axsun De standaard OFM van Axsun is beschikbaar in 2 versies, één in de C – band en de ander in de L – band. De C – band heeft een meetbereik van 1530 – 1570 nm en de L – band heeft een bereik van 1570 – 1610 nm. Beide hebben dus een meetbereik van 40nm. Voor sommige applicaties is de gelimiteerde bandbreedte een probleem. De oplossing is dan een unit die de C – band en de L – band als bereik heeft. Dit is commercieel bereikt met de OFM C+L band unit die de volledige 1530 – 1610 nm bandbreedte heeft (80 nm). De RS232 communicatie verschilt met deze van de C of L band unit en de connecties van voeding en communicatie zijn gelijk gebleven. De optische specificaties voor de C+L band unit zijn niet verschillend ten opzichte van de C of L band unit. Volgende tabel zijn de: elektrische, optische en RS232 specificaties.
35
Tab. 4.1 OFM C+L specificaties De voeding voor de OPM wordt geleverd vanuit een DC/DC convertor. Deze levert een constante spanning van 3,3V. De RS232 communicatie is een standaard RS232 comunicatie. De RS232 werkt met een zend - en ontvangst protocol. Dit wil zeggen dat wanneer een vraag wordt gezonden dat er meteen een antwoordt terug naar de PC wordt gestuurd. De instellingen van de RS232 communicatie worden in volgende tabel voorgesteld.
Tab. 4.2 Pin out RS232
36
Tijdens de evaluatie van de OPM dook er een nieuw probleem op, het sidelobeffect. Dit effect wordt veroorzaakt door de elektronica van de OPM. Het sidelobeffect ontstaat wanneer de optische signaal/ruis verhouding (OSNR) te groot wordt. Wanneer de OSNR groter wordt dan 20 dB, wordt deze zij lob gecreëerd. In volgende figuur wordt het effect weergegeven. Wat deze figuur weergeeft is drie Fiber Bragg grating maxima’s en hun drie zij-loben. Het negatieve effect van deze bult is de invloed op het ruisniveau. De ruisvloer -63 dB. Onder invloed van de zijlobe zal de ruisvloer stijgen. Dit wil zeggen dat wanneer er zich een smalle piek voordoet in de lobe, de piek beïnvloed wordt (de golflengte wordt beïnvloed). Daarom is het bereik gelimiteerd tot 20 dB. OM1 Sidelob effect 1520,000 -35.000
1530,000
1540,000
1550,000
1560,000
1570,000
1580,000
-40.000
Power [dB]
-45.000
-50.000
-55.000
-60.000
-65.000 Lambda [nm]
Fig. 4.3 zij lob effect Om de OPM te evalueren werd er een test uitgevoerd om de algemene golflengtestabiliteit van de eenheid te meten. Dit wordt gedaan door de eenheid in een klimaatkamer te plaatsen. Deze klimaatkamer kan elke temperatuur en vochtigheid zeer stabiel houden. De temperatuur is stabiel op minder dan 0,05°C. De OPM wordt met een PicoWave van Micron Optics verbonden om de golflengte stabiliteitstest uit te voeren. De PicoWave referentie is een golflengte referentie en is weergegeven in volgend figuur.
Fig. 4.4 MicronOptics PicoWave
37
De PicoWave is ideaal om de verschillende units te kalibreren. Het produceert een golflengte tot op 0,5 pm nauwkeurigheid. De opstelling wordt gemaakt met de PicoWave buiten en de OPM binnen de klimaatkamer en de temperatuur in de kamer is 25°C. De OPM meet de PicoWave uitgang gedurende een week om de stabiliteit te testen (van de OPM). De stabiliteit werd om de 0,75 nm van het spectrum getest, ook om de stabiliteit over heel de bandbreedte te testen. De resultaten eindigde op een zeer bevredigende evaluatie. De standaarddeviatie was onder de 1 pm (0,87 pm) voor al de golflengtes. Volgend figuur toont de stabiliteitsgrafiek. Wavelength stability vs Time 1543,447 Standard dev iation <1 pm 1543,446
Wavel ength [nm]
1543,445
1543,444
1543,443
1543,442
1543,441
1543,44 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Time [m inu tes]
Fig. 4.5 Golflengte stabiliteit t.o.v. de tijd Vervolgens wordt de temperatuurstabiliteit geëvalueerd. De opstelling blijft gelijk als de vorige, maar de temperatuur in de klimaatkamer varieert van 0°C tot 50°C in stappen van 10°C en terug. Deze test is nodig om de meetfout (golflengte) op de verschillende temperaturen te weten. De data geeft 2 grafieken: -
Gemeten golflengte door OPM t.o.v de ingestuurde golflengte door de PicoWave. Deze meting is uitgevoerd bij verschillende temperaturen van 0°C tot 50°C
-
Gemeten golflengteverschil door OPM t.o.v de ingestuurde golflengte door de PicoWave. Ook deze meting gebeurt bij de verschillende temperaturen.
De volgende figuur toont hoe lineair de OPM is. Al de metingen zijn op al de temperaturen op dezelfde lijn. Dit wil zeggen dat de unit bijna perfect lineair is over het volledige temperatuurbereik (0°C Æ 50°C). Al de vergelijkingen zijn bijna gelijk en de fout blijft zeer klein.
38
Picowave-array vs OM1 1575
Measured w avelenghts interrogator [nm ]
1570
y = 1,0 00055x - 0,102942 2 R = 1,000000 y = 0,9 99989x + 0,003194 2
1565
R = 1,000000 y = 0,999951x + 0,0 46846
1560
R = 1,00 0000 y = 1,000 359x - 0,5 45315
1555
R = 1,000000 y = 1,00018 4x - 0,274343 R 2 = 1,00 0000
2
2
1550 1545
0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C Lineair (0°C) Lineair (20° C)
y = 1,00022 9x - 0,349305 2 R = 1,00 0000
1540 1535
Lineair (10° C) Lineair (30° C) Lineair (40° C) Lineair (50° C)
1530 1525 1525
1530
1535
1540
1545
1550
1555
1560
1565
1570
1575
FFP -I reference [nm]
Fig. 4.6 OPM i.f.v PicoWave De volgende figuur toont ons het golflengteverschil in functie van temperatuur en ingestuurde golflengte. De meetfout is uitgedrukt in pm en is gecorreleerd tot de referentiegolflengte. De temperatuur varieert terug tussen de 0°C en de 50°C. Bij temperaturen lager dan 30°C is de meetfout kleiner dan 10 pm. Bij hogere temperaturen wordt de meetfout groter. De grootste meetfout is maximaal 40 pm en dit is duidelijk beter dan de 100 pm meetfout in de specificaties van de OPM van Axsun. Bovendien wordt deze 40 pm meetfout in rekening gebracht met de referentie (gas cel) die later in dit document wordt besproken. Waveleng th difference vs Wavelength range (Picowave ref - OM1) 20
0°C 10°C
Wavelength difference FFP-I vs Interrogator [pm]
15
20°C 30°C
10
40°C 50°C 25°C
5
45°C
0
-5
-10 -15 -20 -25 -30 1525
1530
1535
1540
1545
1550
1555
1560
1565
1570
FFP-I reference [nm]
Fig. 4.7 error t.o.v ingestuurde golflengte en temp.
1575
39
De interne temperatuur van de OPM kan ook geregistreerd worden tijdens deze testen. Omdat de OPM gespecificeerd is om te werken tot 70°C. Wanneer de 70°C wordt overschreden zijn de voorgeschreven specificaties niet gegarandeerd. Volgende figuur geeft de inwendige temperatuur weer t.o.v de temperatuur in de klimaatkamer. Wat in deze figuur opvalt is dat wanneer de 70°C overschreden is (bij een temperatuur van 50°C in de klimaatkamer), de OPM nog steeds beter meet dan in de specificaties. Deze test is uitgevoerd op verschillende OPM en al deze modules toonden hetzelfde. Internal OM1 Temperature vs Climate chamber Temperature 80
70
Internal OM1 Temperature [°C]
60
50
40
30
20
10
0 0
10
20
30
40
50
60
Climate chamber Temperature [°C]
Fig. 4.8 OPM temperatuur t.o.v klimaatkamer temperatuur Het laatste probleem is de meetfout die afhankelijk is van de intensiteit van de binnenkomende golflengte. De OPM is gemaakt om te meten tot een minimum vermogen van -45 dB (en max -10dB). Wanneer men minder dan -45dB intensiteit heeft zal de meetfout groter worden. De volgende figuur laat zien dat men perfect meet bij meer dan -45dB vermogen, dit wil zeggen dat de meetfout 0 pm is. Wanneer het vermogen daalt van -45 dB tot -50 dB is er al een fout van 10 pm i.p.v. 0 pm. Daalt het vermogen nog verder tot -57 dB, dan is de fout zelfs 75pm. Wanneer het vermogen nog daalt kan de inkomende golflengte niet herkend worden. De reden hiervan is dat, de threshold 3 dB nodig is om het midden van de piek te berekenen. Om het vermogenprobleem op te lossen is er een sterkere SLED gebruikt. Een standaard SLED is 1 mW, maar nu gebruikt men er eentje van 2 mW (3 dB winst). Door de coupler te vervangen door een circulator is het verlies van 6 dB (3 dB in het heengaan en 3dB in de terugweg) gereduceerd tot 2 dB. Dus in het totaal is er 7 dB gewonnen.
40
Power dependent wavelength changes [pm] 90
80
Wavelength difference [pm]
70
60
50
40
30
20
10
0 -60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
Power [dB]
Fig. 4.9 Vermogen afhankelijke meetfout
4.2
Ontwikkeling van kalibratiemodule en kalibratie algoritme
De OPM heeft na de evaluatie een nauwkeurigheid van 35 pm. De datalogger heeft een nauwkeurigheid van 10 pm. Deze 10 pm nauwkeurigheid kan enkel bereikt worden als een externe component een constante golflengte garandeert. Met deze constante golflengte kunnen we de nauwkeurigheid opdrijven boven de nauwkeurigheid van de OPM. Dit wordt bereikt door constant de referentiegolflengte te meten en deze data te gebruiken om de OPM opnieuw te kalibreren. Daarna wordt de data met de referentiegolflengte gecorreleerd en kan een nauwkeurigheid van minder dan 10 pm bereikt worden. Voor de referentiegolflengte zijn er verschillende commerciële cellen (modules) op de markt. Bij de evaluatie van de OPM C+L band is een PicoWave referentiemodule gebruikt (zoals hiervoor beschreven is). Het gebruik van deze module is niet interessant omdat de prijs zeer hoog is en extra elektronica nodig heeft om deze aan te sturen. Dus vervolgens worden er passieve golflengtereferenties onder de loep genomen die voor de datalogger geschikt zijn.
4.2.1
Gascel
De gas molecules hebben voor elke soort gas specifieke absorptielijnen afhankelijk van de muleculaire overgangen van het energieniveau. Voor gassen zijn deze lijnen nauwkeurig, gekend en ongevoelig aan milieuvoorwaarden. Een gascel is een eenvoudige buis met een gas of gasmengsel van gekende chemische en isotopische zuiverheden en druk. Zij zijn wijd onderzocht als golflengtenormen. In volgende figuur wordt er een gascel weergegeven.
41
Volgende tabel toont de specificaties van een gascel. De nauwkeurigheid van de golflengte is 0,0003 nm (0,3 pm) in het ergste geval. De temperatuursafhankelijkheid is kleiner dan 0,00001 nm/°C (0,01 pm/°C). Dit betekent dat met de temperatuurschommeling van de datalogger ( 0°C - 50°C), de maximum variatie op de golflengte 0,5 pm is.
Fig. 4.10 Gascel
Tab. 4.3 Gascel specificaties Omdat de gascel smalbandig is ( C - of L band), moet men een gecombineerde gascel kopen. Van de gascel wordt niet de gereflecteerde piek gemeten maar een dip (leegte) in het spectrum. Een speciaal algoritme in Labview is nodig om de dip’s te meten en de gemeten pieken te corrigeren.
42
4.2.2
Multi-channel Fabry Perot ITU referentie
De Fabry – Perot ITU filter (FPIF) is een compacte, hoge nauwkeurigheid Fabry – Perot transmissiefilter gebaseerd op een recente ontwikkeling. Deze filters hebben een 25, 50 of 100GHz ITU raster. Een absolute nauwkeurigheid van 10 pm over het heel het temperatuur -en golflengte bereik. De FPIF toestellen hebben 10 pm nauwkeurigheid bewezen over meer dan 10 jaar veroudering. De FPIF is hermetisch afgesloten en ongevoelig aan omgevingstemperatuurvariaties. De hermetische verzegeling garandeert niet enkel de nauwkeurigheid van de golflengte, maar ook de betrouwbaarheid van het apparaat. Daarom is de FPIF het ideale apparaat in de FBG – datalogger voor golflengtereferentie. De FPIF heeft één ingang en één uitgang. Het toestel meet ook in transmissie. Dit geeft problemen voor de meting bij de datalogger, omdat de datalogger in reflectie meet. Dit probleem kan opgelost worden met een 1X2 coupler. De ingang van de coupler wordt met de optical switch verbonden en één uitgang wordt via de FPIF met de andere uitgang verbonden. Dus via de FPIF en de coupler wordt het verzonden signaal terug gestuurd naar de OPM. Het voordeel hiervan in vergelijking met de gascel is dat men de pieken i.p.v dalen in het spectrum moet zoeken. Deze pieken kan het standaardprogramma opmeten dat gebruikt wordt voor de standaard meting. In volgende tabel staan de 6 beschikbare FPIF’s die op de markt beschikbaar zijn. De frequentiepieken liggen 800 pm uit elkaar voor 100GHz, 400 pm voor 50GHz en 200pm voor 25GHz. De 2de optie van het 50GHz toestel is gekozen als referentiecel voor de datalogger. Het golflengtebereik is 1520 nm – 1620 nm, wat het bereik is van de C + L band. De nauwkeurigheid van het centraal kanaal is kleiner dan 10 pm. De thermische stabiliteit is maximum 3,2 pm over een temperatuurbereik van 0°C – 70°C. De kleine afmetingen en de schokbestendigheid maken het toestel ideaal om te integreren in de datalogger. Parameters
Technology Wavelength Range (ITU grid) Center Channel Accuracy Thermal Stability Finesse Contrast Optical Return Loss Insertion Loss at Peak
Units
Value 100GHz
100GHz
50GHz
50GHz
50GHz
Opt. # 1
Opt. # 2
Opt. # 1
Opt. # 2
Opt. # 3
nm
Advanced Etalon 1525-1620
pm
?± 10
pm dB dB dB
6.4 75 34 ± 3 ?20 ?3.0
6.4 7 13.5 ± 1 ?20 ?1.0
3.2 70 33 ± 3 ?15 ?3.0
Storage Temperature Polarization Dep. Accuracy
°C pm
0.8
3.2
0.8
Max. Operating Pow er Operating Temperature Dimensions
mW °C mm
3.2 19 21 ± 2 ?15 ?1.5
25GHz
3.2 3.8 8±1 ?20 ?1.5
3.2 50 30 ± 3 ?7 ?3.0
3.2
0.8
-40 to +85 3.2
300 0 to +70 30.0 x 12.7 x 10.0
Tab. 4.4 specificaties FPIF
43
4.2.3
Karakteriseren van de OPM in combinatie met de FPIF
Na het selecteren van de FPIF wordt de karakteriserende test herhaald zoals voordien bij de OPM. Deze test bevat de karakterisering van de stabiliteit, lineariteit en temperatuursafhankelijkheid. In volgende figuur wordt de golflengtestabiliteit in functie van waarschijnlijkheid getoond. Deze grafiek beschrijft de relatie tussen de herhaalbaarheid van de OPM module + FPIF bij één uur ononderbroken meten. De test wordt gedaan met de OPM, FPIF en PicoWave in de klimaatkamer bij een stabiele temperatuur van 20°C. De PicoWave wordt gebruikt om een zeer stabiele golflengte aan de OPM te geven. De OPM meet tijdens één uur elke seconde. Zoals de figuur weergeeft is de golflengte niet veranderd in meer dan 60% van de gevallen. Een meetfout van +/- 1 pm wordt gemeten in 35% van de metingen. Dit geeft een fout van -2/+2 pm wat verbluffend is.
Fig. 4.11 Golflengte stabiliteit De manier van evaluatie van de temperatuurtest werd al in hoofdstuk 4.1 besproken. De temperatuur in de klimaatkamer wordt geregeld van 0°C tot 50°C en terug in stappen van 10°C. Dit wordt gedaan om de meetfout op de verschillende temperaturen te testen. De OPM is niet 100% stabiel op de verschillende temperaturen, maar de FPIF wel. Het gebruik van de FPIF is dan noodzakelijk om de fout van de OPM te meten en te corrigeren. De PicoWave wordt gebruikt om het volledige golflengtebereik te testen. De PicoWave wordt buiten de klimaatkamer geplaatst om een stabiele golflengte te hebben. Alle resultaten worden verzameld en geëvalueerd. Hier volgt een beschrijving van de testen. -
Gemeten golflengte door OPM + FPIF t.o.v de ingestuurde golflengte door de PicoWave. Deze meting is uitgevoerd bij verschillende temperaturen van 0°C tot 50°C
-
Gemeten golflengteverschil door OPM + FPIF t.o.v de ingestuurde golflengte door de PicoWave. Ook deze meting gebeurt bij de verschillende temperaturen.
In volgende figuur wordt de ingestuurde golflengte van de PicoWave vergeleken met de gemeten golflengte van de OPM + FPIF. Als men deze resultaten vergelijkt met de resultaten van de OPM zonder de FPIF ziet men maar een zeer kleine
44
verbetering. Dus kan uit vorige test de zeer goede lineariteit van de OPM besloten worden. Al de resultaten liggen op 1 lijn. Dit betekent dat de OPM + FPIF een perfecte lineariteit hebben over heel het temperatuurbereik. Alle vergelijkingen zijn bijna hetzelfde en de fout is zeer klein. Picowave-array vs OM1 + FPIF
Me asure d wa velenghts interrogator [nm]
1575 1570 1565 1560 1555 1550 1545
y = 1,00 0055 x - 0 ,10 2942 2 R = 1 ,00 000 0 y = 0,999 989x + 0 ,0 0319 4 R 2 = 1 ,00 000 0 y = 0,9999 51x + 0,04 6846 R 2 = 1,000 000 y = 1,000 309x - 0,460 457 2 R = 1,00 0000 y = 1,000 184x - 0,27 4343 2 R = 1,000 000
0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C
y = 1,000 229x - 0,34 9305 2 R = 1,000 000
1540
Lineair (0°C) Lineair (20°C)
1535
Lineair (10°C)
1530
Lineair (30°C) Lineair (40°C) Lineair (50°C)
1525 1525
1530
1535
1540
1545
1550
1555
1560
1565
1570
1575
FFP -I reference [nm]
Fig. 4.12 Picowave array vs OM1+FPIF De volgende figuur toont de meetfout gemeten door de OPM + FPIF ten opzichte van de ingestuurde golflengte van de PicoWave. De meetfout die is uitgedrukt in pm is gecorreleerd met de ingestuurde golflengte. De fout is binnen de 10 pm. Dit is toe te wijzen aan het gebruik van de FPIF. De FPIF maakt het mogelijk om van 40 pm nauwkeurigheid (zonder de FPIF) te gaan naar 10 pm nauwkeurigheid. Tijdens de meting kunnen we besluiten dat de PicoWave referentie niet 100% stabiel is. Dit kan gezien worden aan de lichte stijging van meetfout bij de hogere golflengtes. De FPIF module blijft stabiel wat leidt tot een onnauwkeurigheid van de PicoWave. Met deze informatie kan besloten worden dat de OPM + FPIF in staat zijn om een nauwkeurigheid van 10 pm te halen.
45
Wavelength difference vs Wavelength range (Picowave r ef - OM1) 20
0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C
Wavelength difference FFP -I vs Interrogator [pm ]
15 10 5 0
-5
-10 -15 -20 -25 -30 1525,000
1530,000
1535,000
1540,000
1545,000
1550,000
1555,000
1560,000
1565,000
1570,000
FFP-I re fere nc e [nm]
Fig. 4.13 Wavelength difference vs wavelength range De interpretatie van de volgende figuur is anders. Hier wordt de meetfout vergeleken met de resultaten van de meting op 20°C. De meetfout blijft dan onder de 7 pm en dit over heel het temperatuurbereik. Bij een temperatuurbereik van 10°C – 40°C, wat overeen komt met de temperatuur in een labo, blijft de meetfout kleiner dan 5 pm. Slechts bij hogere en lagere temperaturen wordt er een grotere meetfout waargenomen. Deze meetfout bij extreme temperaturen is het resultaat van de elektronica, omdat deze dan op maximaal vermogen moeten werken om de temperatuur te compenseren. Wavelength err or vs 20°C 15
0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C
Wavelength differ ence [pm]
10
5
0
-5
-10
-15 1525,000
1530,000
1 535,000
1540 ,0 00
1545,000
1550,000
1 555,000
1560 ,0 00
1565,000
1570,000
FFP-I reference [nm]
Fig. 4.14 Wavelenght error vs 20°C De meting van de FPIF moet op regelmatige tijdstippen gebeuren. Elke dag een keer meten is ideaal om de afwijking van de OPM te compenseren. Maar door
46
temperatuurvariaties is het misschien noodzakelijk om meermalen per dag de FPIF te meten. Omdat we de mogelijkheid hebben om de temperatuur van de OPM te meten is het mogelijk om met deze temperatuur rekening te houden met het meten van de FPIF. Als voorbeeld kan men bij een temperatuurvariatie van 5°C de FPIF gaan nameten om de OPM te corrigeren. Als de temperatuur stabiel is over dagen kan gezorgd worden dat de FPIF één keer per dag wordt gemeten. Hierdoor wordt de nauwkeurigheid van de datalogger onophoudelijk gecontroleerd en indien nodig verbeterd.
4.3
Ontwikkeling van een gecombineerde optische bron: C+L
De OPM die wordt gebruikt meet in de C - en L band. Dit is een bandbreedte van 80 nm wat wil zeggen dat men ook een lichtbron nodig heeft die een bereik heeft van 1530 nm tot 1610 nm als hoog vermogen uitgang. Alle LED’s die deze bandbreedte uitstralen hebben een laag vermogen dat de 30 µW niet overschrijdt. De commerciële SLED’s hebben een hoog vermogen uitgang (1mW) maar hebben dan weer een beperkte bandbreedte (50 nm). In de volgende figuren wordt de bandbreedte weergegeven van de SLED in de C – band en van de SLED en de L band.
Fig. 4.15 Vermogenspectrum C – band SLED
Fig. 4.16 Vermogenspectrum L – band SLED Omwille van de beperkte bandbreedte is een combinatie nodig van deze SLED’s. Deze combinatie wordt gerealiseerd door een 2X1 coupler. Dit wil zeggen 2 optische ingangen en 1 optische uitgang. Elke ingang heeft 3 dB vermogenverlies (zoals eerder al gezien).
47
Fig. 4.17 C+L Sled
4.4
Integratie van de optical switch
Omdat de OPM maar één kanaal kan uitmeten zijn het aantal sensoren gelimiteerd. Daarom is er gezocht naar een kleine OEM switch die bij in de datalogger kan geïntegreerd worden. De switch moet aan volgende voorwaarden voldoen: kleine behuizing, bedrijfszekerheid, weinig verliezen, laag vermogenverbruik. De Transoptix 1xN optical switch voldeed aan al deze voorwaarden. Zij hebben een zelfgemaakte technologie, “Opto-mechanical technology”. De kanalen zijn bidirectioneel en zijn beschikbaar in 1X2, 1X4, 1X8, 1X10, 1X12, 1X16. Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van deze switchen en de tabel toont de specificaties ervan.
Commen specifications 1XN Repeatability
± 0.02 dB
Polarization dependent loss (PDL)
< 0.1 dB
Return loss
< -50 dB
Switching time
< 10 ms
Wavelength range
1520 – 1625 nm (C+L band)
Operating temperature
-5°C to +70°C
Operating humidity
< 90% RH, non-condensing
Input Optical power
< 20 dBm
Power consumption
100 mw (during switching)
Tab. 4.5 Specificaties optical switch
48
Fig. 4.18 Transoptix 1XN optical switch
4.4.1
Aansturen van de transoptix 1XN switch
De aansturing en controle gebeuren door de control/readout poort. De poorten bestaan uit één of twee rijen van 22 control/read-out pinnen, afhankelijk van het type switch. De volgende tabel geeft de pinconfiguratie weer van de 1X16 switch. De 1X8 switch is dezelfde configuratie maar enkel met de eerste 22 pinnen.
Tab. 4.6 Control/Read-out pins 1X16 De COM wordt gebruikt om een kanaal van de optical switch te selecteren of uit te schakelen. Dus als er 0V aan de COM wordt gelegd en 5 volt aan een C(N) kanaal, dan wordt kanaal N gekozen. Omgekeerd, als de 5V aan de COM ligt en 0V aan het C(N) kanaal, dan wordt het kanaal N uitgeschakeld. GND is de massa van voeding. De 5V is het 5V kanaal van de voeding. R(N) is de leesuitgang. Het gekozen kanaal N geeft een 5V op de R(N) pin van de poort. Deze R(N) kan dus enkel hoog zijn als dat kanaal gekozen is.
4.4.2
PCB en hardware
Het bedrijf heeft speciaal een PCB ontwikkeld voor de sturing van de optical switch. De eigenschappen waar de PCB aan voldoet zijn: geen extra voeding nodig, klein, 1X8 en 1X16 compatibel. De afmetingen van de optical switch 1X16 zijn 144 mm x 76 mm x 15 mm (B x D x H). Dus de grote van de PCB is gelimiteerd tot
49
180 mm x 100 mm welk een standaard PCB formaat is. De elektronica die de switch aanstuurt is op zijn beurt gestuurd door een USB toestel (PMD 1024HLS). Dit toestel biedt de mogelijkheid om de switch te sturen via USB. Het USB divice heeft 3 read/write poorten. Dit toestel wordt boven op de PCB van de switch gemonteerd en voorziet de switch ook van voeding.
Fig. 4.19 USB toestel PMD1024HLS Één poort (PORT A) van het USB toestel stuurt de kanalen, de tweede poort (PORT B) leest de status uit van de switch en de derde poort (PORT C) stuurt de COM’s aan. Omdat het USB toestel via zijn poorten de switch niet rechtstreeks kan aansturen worden er relais gebruikt om de switch aan te sturen. Een extra filter is voorzien om de voeding niet te vervuilen met storingen.
Fig. 4.20 PCB voor optical switch De switch wordt onder de PCB (vast) gemonteerd aan de soldeerzijde. Het USB toestel wordt boven de PCB gemonteerd.
50
Fig. 4.21 Zijaanzicht PCB met optical switch
4.4.3
Software
De software, geschreven in Labview 7.1, is compatibel met de beide switchen en werkt stand-alone. In volgende figuur is een screenshot van de software. Device # is nodig als je met meerdere optical switchen werkt. Zo is er geen onderlinge vergissing mogelijk, omdat elke switch zijn nummer krijgt toegewezen. Numeric staat voor het kanaal dat men gaat selecteren en Status read-out staat voor het geselecteerde kanaal. De software geeft een automatische error als de switch niet goed functioneert.
Fig. 4.22 Software bedieningspaneel optical switch
4.4.4
Test results
Om de optical switch en zijn elektronica te evalueren zijn er verschillende testen uitgevoerd. De testen werden uitgevoerd bij verschillende temperaturen (0°C – 50°C). De bedrijfszekerheid en cyclustijd werden getest. Bij een cyclus van 4 Hz (vier keer sneller dan nodig) werd er sequentieel van kanaal één tot kanaal 16 geswitcht en terug. Dit werd in 2 weken uitgevoerd in de klimaatkamer op verschillende temperaturen. Op alle kanalen werd gemeten en uit de data kon men geen afwijkingen waarnemen. In volgende tabel staat het verlies dat elk kanaal heeft. Dit werd gemeten met een referentie grating bij een temperatuur van 20°C. Bij alle temperaturen (O°C – 50°C) is het interne verlies constant en lager of gelijk aan de 1 dB specificatie.
51 Operator name :
BB
Test date:
12-01-2005
Serial number :
OPT1X160511201
Referenc e:
1545nm
Channel
Insertion loss:
Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Channel 5 Channel 6 Channel 7 Channel 8 Channel 9 Channel 10 Channel 11 Channel 12 Channel 13 Channel 14 Channel 15 Channel 16
0.98 dB 0.86 dB 0.54 dB 0.87 dB 0.98 dB 0.71 dB 0.94 dB 1.00 dB 0.77 dB 0.94 dB 0.81 dB 0.84 dB 0.88 dB 0.98 dB 0.79 dB 0.96 dB
Tab. 4.7 Testresultaten inwendige verliezen
4.4.5
Integratie OPM en optical switch
Met al de beschreven componenten (OPM, SLED, Optical switch) is er een groot aantal optische vezels nodig om deze componenten met elkaar te verbinden. Om de optische vezels zo goed mogelijk te ordenen was er een optische tray nodig (zie volgende figuur). Deze Tray geeft ons de mogelijkheid om al de optische vezels en lasverbindingen (splice) in deze tray te plaatsen zonder dat ze de tray verlaten. Dit heeft het voordeel dat alles zeer goed beschermd is en compact blijft. Zoals volgende figuur aantoont heeft de tray 2 cirkels om de vezel te leiden, deze cirkels hebben een diameter van 5 cm. Deze diameter is 5 cm om de verliezen door buiging minimaal te houden. De rechte groef is er om de las (splice) in te plaatsen en om de koppeling te plaatsen.
Fig. 4.23 Optical tray
52
De tray is gemonteerd tegen de OPM. Zoals je in volgende figuur kan zien is de tray, coupler en OPM een compact geheel. Dit geheel wordt dan verbonden met de optical switch (1X8 of 1X16).
Fig. 4.24 Complete configuratie
4.5
Ontwikkeling verwerkingseenheid
De keuze van het processorbord is essentieel voor een stabiele en goede werking van de datalogger. Het processorbord wordt het hart van dit complete systeem. Het bord zal de hele datalogger sturen en de data verwerken. Hij moet de OPM, optical switch en kalibratie sturen. Hij moet ook geschikt zijn voor uitbreiding in de toekomst. Voor de uitbreiding naar de toekomst toe is het aangeraden om extra USB en RS232 poorten te hebben. Om te communiceren met andere systemen/computers is er een Ethernet connectie en RS232. Als optie zou het interessant zijn om GPRS communicatie te implementeren. Het processorbord moet ook een zekere rekenkracht hebben. De nodige rekenkracht is berekend op een standaard pc. De nodige CPU is minimaal 300MHz gecombineerd met 256 MByte RAM. Zo is er 60% rekenkracht in reserve die kan gebruikt worden voor toekomstige programma’s. Het verbruik van het bordje moet minimaal blijven omdat de datalogger op batterijen moet kunnen gevoed worden. Het systeem, samen met de TFT en randapparatuur, gebruikt 35VA en moet één uur kunnen werken op batterij. Bovendien mag het bordje niet teveel warmte produceren. De datalogger moet een Labviewapplicatie runnen. Voor dit zal een kleine CF – kaart (geheugenkaart) als harde schijf worden gebruikt, de software en hulpmiddelen worden op 130 MByte geschat. Een kaart van 512 MByte wordt gebruikt (ook voor dataopslag). Een TFT touch screen geeft al de functies en data weer, maar er is ook een VGA connectie aanwezig om een extra scherm aan te hangen. Wanneer de datalogger in een rack wordt gemonteerd is er de mogelijkheid om een extern scherm aan te sluiten. Daarom is er ook een PS/2 verbinding voorzien om een muis en toetsenbord aan te hangen. Als laatste mag de afmetingen van het bord niet te groot zijn, max 150 X 150 X 50 (B x H x D). In volgende lijst is er een tabel met parameters waar het processorbord moet aan voldoen.
53
Required specifications Processing Board Processor
Min. 300 MHz
Memory
Min 256 MByte
Hard disk
512 Mbyte
RS-232
4 ports
USB
2 ports
Ethernet
10/100 MBit
PS2
Mouse + Keyboard
VGA
External connector
TFT screen
7.4 TFT screen + touch
GPRS
GPRS module inserted
Low thermal heat production
No active fans
Low power consumption
<25 VA / Hour
Dimensions
Max 150 x 150 x 50 mm
Operating temperature
-5°C to +70°C
Tab. 4.8 Minimum eisen processorbord Na de benodigdhedenlijst zijn er 2 bordjes geëvalueerd. De Transmeta en Intel.
54
4.5.1
Specificaties van de 2 computer systemen CPU chipset Memory Graphic
W afer-C400E2V ULV Intel Celeron 400MHz VIA VT8601T + VT 82C686B
Wafer-6820-800 Transmeta crusoe TM5800 800MHz VIA VT82C686B
Equipped with 256MB SD RAM Integrated VT8601T 50-pin 24-bit LCD I/F DB-15 VGA
Equipped with 256MB SD RAM CHIPS 69000 2MB V-RAM 50-pin for LCD I/F DB-15 VGA one 10/100Mbps Ethernet 1 x IDE ATA-66/33 1 x FDD 1 x RS-232 1 x RS-232/422/465 1 x ps/2 KB/MS 1 x LPT(SPP/EPP/ECP) 2 x USB 1,1 1 x IrDA AC'97 codec CF Type II "+ 5V @1,7A"
Ethernet
Dual 10/100 Mbps Ethernet Drive Interface 1 x IDE ATA-100/66/33 1 x FDD I/O Interface 1 x RS-232 1 x RS-232/422/485 1 x ps/2 KB/MS 1 x LPT(SPP/EPP/ECP) 2 x USB 2,0 1 x IrDA Audio AC'97 codec SSD CF Type II Power Consumption "+5V @ 3A" "+12V @0,1A " Watchdog Timer Software Programmable 1-255 sec system reset Hardware monitor CPU Vcore, Vcc, CPU/System fan speed and temperature detecting function Operation Enviroment Temperature Range 0--60°C Relatieve Humidity 5--95% non - condensing expansion slot 1 x pc/104 1 x pc/104
Tabel 4.9: Specificatie vergelijking
4.5.2
Verbruik van de beide systemen Intel
12V
Transmeta
5V
5V
OPSTARTEN PC
Opstarttijd (60sec) Piekstroom Minimum stroom Nominaal (geschat) Windows desktop Idle Bewerkingen maken Opstart labview Bewerkingen maken labview
(76sec)
28mA 28mA 28mA
2A 1,3A 1,5A
2,2A 1A 1,7A
28mA
1,37A
1,26A
28mA
1,5A--2A
28mA
1,45A--1,7A
1,8A--2,1A 1,65A—1,8A
Tabel 4.10 Stroomverbruik beide systemen
55
4.5.3
Prestaties van de beide systemen
Rekenkundige bewerkingen “CPU Arithmetic Benchmark” Geeft aan hoe de CPU(s) rekenkundige bewerkingen en “floating point” instructies aan kan. De Transmeta is sneller bij de integer-bewerkingen en de Intel processor is sneller bij de floating point bewerkingen. 2500 2000
1780 1380
1500
intel transmeta
1000 544
500
439
0 Dhrystone (MIPS)
whetstone (MFLOPS)
Fig. 4.25 CPU arithmetic benchmarck Multimedia benchmark Laat zien hoe de CPU multi-media instructies en data presteren. Intel is de snelste over heel de lijn.
5000
4190
it/s
4000 3000
3478 2859
Transmeta Intel
2000
957
1000 0 Integer x4 iMMX
Floating-Point x1 FPU
Fig 4.26 Multimedia benchmark Geheugen bandbreedte benchmark Geeft aan hoe snel het geheugen van de sub-computer (CPU-Chipset-Geheugen) instructies afhandelt. Intel is hier ook de snelste over heel de lijn.
56
600
481
MB/s
500
475
400
Intel
300
223
222
200
Transmeta
100 0 RAM Bandbreedte Int Buff'd iSSE
RAM Bandbreedte Float Buff'd iSSE
Fig 4.27 Geheugen bandbreedte benchmark Bestandssysteem benchmark Geeft aan hoe de bestandssystemen van de schijven, verbonden met opslag adapters en hosts, presteren. De Transmeta is hier 13% sneller dan de Intel. 2500 1942
kB/s
2000
1717
1500
Intel Transmeta
1000 500 0 Schijf Index
Fig. 4.28 Bestandssysteem benchmark Cache en geheugen benchmark Deze grafiek geeft weer hoe snel de cache en geheugen sub-computer instructieblokken verwerkt. Transmeta is iets sneller over heel de lijn, maar Intel blijft in de buurt van de Transmeta.
57
Cache en Geheugen Benchmark 4000 3500 3000 2500
Intel Transmeta
MB/s 2000 1500 1000 500
8k B 16 kB 32 k 12 B 8k 25 B 6k 51 B 2k B 1M B 2M B 4M B
4k B
2k B
0
Fig. 4.29 Cache en geheugen benchmark
Verwisselbare opslag/flash benchmark Geeft weer hoe snel uw verwisselbare opslag/flash geheugen presteert. Voor beide testen is dit dezelfde flashkaart (Kingston SD 256MB). Dus dit geeft vrijwel dezelfde resultaten voor beide tests. Verwisselbare Opslag/flash Benchmark
Opdracht(en)/min
400 350 300 250 200
Intel Transmeta
150 100 50 0 512B
32kB
256kB
2MB
64MB
Bestanden Test
Fig. 4.30 Verwisselbare opslag/flash benchmark Niet te vergeten, tijdens het gebruik van de beide systemen ondervonden we dat de Intel vlotter werkte dan de Transmeta.
4.5.4
Besluiten en bevindingen
De bevindingen over de Intel t.o.v. de Transmeta zijn: -
De Intel werkt veel sneller bij het geven van instructies (openen van programma’s of van schermen wisselen)
58
-
De Intel verbruikt minder stroom dan in de specificaties gegeven. +/- de helft van de stroom.
-
De Transmeta verbruikt minder in standby maar de Intel verbruikt dan weer minder bij de bewerkingen
-
De Intel heeft meer connectoren
Uiteindelijk heeft de Intel het gehaald van de Transmeta
4.6
Software ontwikkeling
Zoals het processorbord moet de software stabiel zijn. Windows XP embedded is gekozen als operating systeem, omdat het networking, memory management, … ondersteunt. Het voordeel van deze Windows is dat er geen problemen zijn met resetten en spanningsuitval, omdat de software automatisch herstart en het werk hervat waar het gestopt is. Er is ook een watchdog timer geïmplementeerd die automatisch reset als er na langer dan 5 minuten geen instructie is gegeven. In samenwerking met Nijkerk (onderaannemer), is Windows XP ontdaan van programma’s zoals e-mail, spelen, applicaties die niet door de datalogger gebruikt worden. In het totaal gebruikt het nog 100Mbyte geheugen. Dit heeft als voordeel dat Windows XP niet zo snel zal vastlopen op die overbodige programma’s. De applicaties van de datalogger worden geschreven in Labview. Dit omdat je met Labview eenvoudig de software kan wijzigen. Met andere programmeertalen is dit moeilijker. Al de DLL bestanden die nodig zijn om de applicaties te draaien worden in Windows XP embedded geïnstalleerd. De applicatie heeft verschillende tab – vensters om verschillende meetmethodes en configuraties te selecteren. De tab – vensters zijn: Wavelengts, spectrum en configuratie.
59
Fig. 4.31 Tab – venster “Wavelengths” Wanneer de datalogger opstart wordt het scherm wavelength automatisch geladen en start de applicatie met meten. Met het wavelength – scherm gaat de dataloger de golflengtes meten en het bijhorende vermogen. De meting van de golflengtes met het overeenkomstige vermogen wordt gedaan op 1 Hz, Dit is onafhankelijk van het aantal fiber Bragg gratings dat verbonden is met dat kanaal. Voor dat de software tot het meten over gaat zal hij eerst de OPM en het USB toestel van de optical switch initialiseren. Wanneer deze Initialisatie gebeurd is wordt de SLED geactiveerd en worden de kalibratie files geladen van de geheugenkaart. Dit alles gebeurt in 5 seconden. Automatisch start de meting van kanaal één, tot een ander commando gegeven wordt. Men kan instellen dat de datalogger continu één kanaal meet of sequentieel gekozen kanalen gaat uitmeten. Één cyclustijd is 1 seconde. Een cyclustijd wil zeggen: de tijd die nodig is om één kanaal uit te meten. Men kan wel de lengte instellen: hoe lang een kanaal wordt meten (een verlengde cyclustijd). Men kan deze tijd instellen van één seconde tot één dag. De parameters die worden opgeslagen zijn: datum – tijd, golflengte, vermogen. De SLED kan door de software aan en uitgeschakeld worden. Op de onderste lijn van het venster staat een controlebalk. Hier kan men ten alle tijden de toestand van de componenten zien.
60
Het tweede tab – venster is het spectrum. Hierin wordt het gemeten spectrum voorgesteld.
Fig. 4.32 Tab – venster “Spectrum” Een spectrum is een grafiek met als X – as de golflengte en in de Y – as het vermogen. De tijdspanne waarin de data over het spectrum verzameld wordt is afhankelijk van de decimerende factor. Deze factor is standaard 100 en bepaalt de resolutie van het spectrum. Wanneer de factor 100 is, is de resolutie 160 pm. Wanneer men de hoogste resolutie wenst, dan moet de factor op 1 gezet worden en is de resolutie 1,6 pm. Hierbij wordt wel opgemerkt dat je langer data van de OPM moet verzamelen voor een hogere resolutie. Het is mogelijk om te zoomen, scaleren, … met de grafiek. Het is mogelijk om een nieuwe resolutie te nemen op de as. Het spectrum venster is vooral interessant als men een diagnose wil stellen over het aangesloten optische netwerk (sensoren). Met het spectrum kan men verliezen waarnemen. In dit venster kan ook van kanaal geswitcht worden en is er nog steeds de diagnosebalk aan de bodem van het scherm.
61
Het derde tab – venster is temperatuur
Fig. 4.33 Tab – venster “Temerature” Dit venster is gelijkaardig aan het wavelengths venster, maar de golflengte is hier omgezet naar de bijhorende temperatuur. De tabel geeft het piekvermogen weer, golflengte en bijhorende temperatuur voor al de pieken in dat kanaal. De temperatuurwaarden worden enkel weergegeven als de normale golflengte en gevoeligheid zijn ingegeven. De normale golflengte is de golflengte op 25°C en de gevoeligheid is de golflengteverschuiving ( pm ) per °C. Gebaseerd op deze data wordt de temperatuur bepaald. De tabel bevat ook de kolom Distance, wat de afstand van de sensor tot het meettoestel is. Dit is bedoeld als indicatie en kan leeg gelaten worden. Al de data kan opgeslagen worden in .txt bestanden. Deze bestanden wordt de data, tijd, temperatuur van de OPM, piekvermogen en golflengtes opgeslagen.
62
Het vierde tab – venster is de configuratie.
Fig. 4.34 Tab – venster “Configuration” Wanneer men het configuratievenster wil gebruiken is er een paswoord nodig. Dit is gedaan om de instellingen te beveiligen van niet geautoriseerde gebruikers. In dit venster is het mogelijk om de OPM de configureren en de toestand van de OPM op te vragen. Wanneer het wachtwoord correct is ingegeven worden alle PPP – instellingen vernieuwd en er wordt een diagnose gedaan. Met de PPP – instellingen kan de klant het gedrag van de OPM instellen. Deze instellingen bepalen de piek instellingen algoritme van de OPM. Deze instellingen kunnen worden geladen/opgeslagen op harde schijf. Zo kan men als voorbeeld het minimumvermogen aanpassen om een piek te detecteren. Met de diagnostic kan de volledige OPM gecontroleerd worden. Het controleren van de temperatuur, TEC, spanning enz. is allemaal mogelijk.
4.7
Integratie van draadloze communicatie
4.7.1
De GSM terminal
De datalogger heeft als optie een draadloze internetcommunicatie. Dit wordt gerealiseerd door een GSM terminal. Dit is een toestel dat dezelfde functies heeft als een GSM, maar dan zonder scherm of toetsenbord. De commando’s en antwoorden
63
kunnen door de computer gelezen en geschreven worden met een RS232 communicatielijn. Als GSM terminal heeft men de MC35 terminal van Siemens gekozen. Dit is een compacte, kwalitatieve en alles in één oplossing. De terminal ondersteund data (GPRS), spraak, SMS en fax in GSM netwerken.
Fig. 4.35 MC35 De aansluiting van de voeding wordt op volgende figuur weergegeven met de tabel van parameters. Zoals weergegeven is er een grote variatie mogelijk op de ingangspanning. De reset input en GND moet met de 0 Volt verbonden worden en de ignition input aan de positieve voedingspanning. Bij deze configuratie zal bij het opkomen van de voedingspanning de terminal klaar staan voor zijn eerste commando’s. De reset ingang zorgt ervoor dat het toestel terug moet opgestart worden met ignition voor gebruik. Zolang er geen ignition is zal het toestel niet werken. Het toestel is beveiligd tegen het verkeerd aansluiten van de polariteit ( tot 400V ).
Fig. 4.36 Voeding connectie
Tab. 4.11 Doel van de aansluitklemmen
Er is ook een aansluiting voor een hoofdtelefoon en een micro. Deze worden niet gebruikt in de datalogger. De antenne aansluiting heeft een karakteristieke impedantie van 50 Ohm. Het is een FME (male) coaxiale jack. De volgende figuur verduidelijkt de aansluiting.
64
Fig. 4.37 Antenne aansluiting
Tab. 4.12 Doel van de aansluitklemmen
De communicatie met de computer gebeurd met en RS232 interface. Weergegeven in volgende figuur. De seriële kabel mag niet langer zijn dan 1,8 m, maar dit is in de datalogger geen enkele beperking.
Fig. 4.38 RS232 aansluiting
4.7.2
Tab. 4.13 Doel van de aansluitklemmen
Automatisch internetverbinding maken
Bij het opstarten van de FBG – meetunit gaat de meetunit zich, indien het automatisch moet gebeuren, connectie maken met het Internet. De configuratie is eenvoudig: 1. In Windows de modem installeren. 2. Bij netwerkverbindingen de GPRS verbinding instellen. 3. Met Labview een verbinding maken.
65
Voor een GPRS – internetverbinding moet er een extra instelling gebeuren die wat ongewoon is.
Fig. 4.39 Extra Windows instelling Bovenstaande figuur geeft de extra setting weer die nodig zijn voor de GPRS – internetverbinding. Voor te testen gebruikte ik een pay & go SIM – kaart van Proximus, waardoor de instelling, AT+CGDCONT=1,ip,internet.proximus.be zijn. Hierbij staat IP staat voor het type dataprotocol, in dit geval het internet protocol en de naam internet.proximus.be staat voor de APN, de Acces Point Name, dit om het extern pakket data netwerk te selecteren. De werking van dit programmaonderdeel is eenvoudig maar goed. Bij het opstarten van het systeem wordt automatisch de pincode ingevoerd. Hierna wordt de internetverbinding gemaakt met het commando “rasdial”. Met dit commando kan een verbinding gemaakt worden die bij de Windows netwerkverbindingen zijn geconfigureerd. Men geeft enkel de username en paswoord in en de verbinding wordt gemaakt. Voor het commando rasdial uit te voeren wordt “System Exec.vi” gebruikt. Omdat een internetverbinding niet op enkele milliseconden is opgebouwd moet er enkele seconden gewacht worden. Als de verbinding tot stand is gebracht wordt het IP – adres opgevraagd en verzendt het programma dit nummer op naar de persoon die het systeem nodig heeft. Met dit verzonden nummer kan men het systeem van op afstand overnemen met Windows. Het verzenden van de mail gebeurt met “SMPT Email Send Message.vi”. Als extra wordt elke minuut gecontroleerd of er nog internetconnectie is. Dit wordt gedaan door het IP – adres te controleren. Wanneer het systeem geen connectie heeft tijdens bedrijf wordt de connectie weer automatisch opgestart zoals beschreven. In volgende figuur wordt de gebruikersinterface weergegeven van het programma. De in te geven parameters zijn tot een minimum beperkt.
66
Fig. 4.40 Gebruikersinterface
Fig 4.41 System Exec.vi & SMPT Email Send Message.vi
4.7.3
Automatische back-ups maken
De meetgegevens van de datalogger gaat men niet alleen op de datalogger laten staan, er gaat een back-up van gemaakt worden. Dit probleem is opgelost omdat de data gaat doorgestuurd worden naar een mail server. Bovendien word de data niet volledig doorgestuurd maar gecomprimeerd in een .rar bestand. Wat moet het programma doen? Het programma gaat op regelmatige tijdstippen (van zondag op maandag, middernacht) de meetgegevens comprimeren in een .rar bestand en dit wegschrijven in een andere map. De map van de meetgegevens wordt leeg gemaakt en enkel het gecomprimeerde bestand wordt bijgehouden. De naam van het bestand is de datum waarop het bestand aangemaakt is. Dit wordt gedaan omdat de opslagruimte van het systeem beperkt is. Nadat het bestand gecomprimeerd is wordt het bestand ook nog eens verstuurd als mail naar de persoon die de meetresultaten bijhoudt. Deze kopie is dan de back-up. Hoe werkt het programma? Het eerste deel van het programma is het maken van de trigger. Deze is altijd False en mag enkel True worden als het zondag op maandag 00.00 uur is. De datum en tijd wordt gecontroleerd om de minuut. Als de trigger True is dan wordt het proces van comprimeren en verzenden gestart, anders gebeurt er niks. Opmerking: Er mag ook maar 1 trigger gegenereerd worden. Bij het nemen van de back-up worden eerst de bestanden gecomprimeerd. Dit is gerealiseerd door vanuit labview het eigenlijke RAR comprimeerprogramma op te roepen met “System Exec.vi”. Vervolgens als alles gecomprimeerd is in één bestand, worden al de bestanden van de meetresultaten één voor één verwijderd. Als laatste wordt het gecomprimeerde bestand doorgestuurd als attachment met mail.
67
Het uiteindelijke beeld voor de gebruiker is weer een eenvoudige voorstelling.
Fig. 4.42 Gebruikersinterface voor backups
4.8
De voeding
De voeding van de datalogger gebeurt vanuit een 18V adapter en een batterij. Dit komt uitgebreid aan bod in hoofdstuk 5.
4.9
De behuizing
De behuizing van de FBG – datalogger maakt het hele systeem een compact gegeven. Het front van de behuizing bevat de ON/OFF knop om de datalogger aan of uit te schakelen, het TFT touch screen voor de weergave en bediening van het systeem en de aansluitklemmen voor de sensoren. Aan de achterkant van het systeem zijn de aansluitklemmen van het computersysteem, GSM – antenne en voeding. Zo kan een toetsenbord, muis en extra hardware aangesloten worden. De behuizing kan voorzien worden van handvatten zodat het toestel draagbaar wordt, of van een verlengstuk zodat men het toestel in een 19” rak kan plaatsen. Dus de behuizing is geschikt voor permanente montage en draagbare toepassingen. In volgende figuur wordt de FBG – datalogger weergegeven.
Fig. 4.43 FBG – datalogger
68
De inwendige opbouw van de datalogger is modulair. De verschillende modules worden boven elkaar gemonteerd door middel van afstandbusjes. Helemaal onderaan wordt het processorbord gemonteerd. Boven het processorbord zie je de OPM met de tray. Daarboven is een optical switch gemonteerd (blauw). De zwarte module rechts is de SLED en GSM terminal. Achteraan, het groene plaatje, is de DC/DC converter. In het frontpaneel is de TFT monitor gemonteerd. De batterij en batterijlader zijn in deze datalogger niet aanwezig. De lader wordt boven de optical switch gemonteerd tegen de achterwand. De batterij moet onder de GSM – terminal geplaatst worden. Het probleem van de draden en bekabeling is hier al onder handen genomen. Al de overtollige bedrading is verwijderd. Zoals de figuur weergeeft blijft de bekabeling veel plaats innemen.
SLED
Optical switch OPM
GSM
CPU TFT
Fig. 4.44 Inwendige van de datalogger De behuizing is niet in het bedrijf FOS&S zelf geproduceerd. De firma Nijkerke zorgt voor de fabricage van de behuizing met processorbord. De overige modules worden bij FOS&S gemonteerd naargelang de wensen van de klant. Dit maakt van de datalogger een flexibel en aanpasbaar toestel waar klant en fabrikant voordeel bij hebben.
69
5
BATTERIJLADER
5.1
Overzicht batterij eigenschappen
5.1.1
Inleiding
Omdat elektronische producten complexer, en hun omvang steeds kleiner worden en ze meer energie vragen is het nodig om nieuwe batterijsoorten te ontwerpen. De nikkel metaalhydride batterij (Ni-MH) is zo ontworpen dat zijn energie - intensiteit twee keer zo hoog is als die van nikkel cadmium (Ni-Cd). De Ni-MH batterij heeft dezelfde werkingspanning als de Ni-Cd batterij. Daarom zijn ze een vaste waarde geworden in de wereld van de herlaadbare batterij.
Fig. 5.1 Voorbeeld batterij 5.1.2
Constructie
De Ni-MH bestaan uit: -
Een positieve plaat die nikkelhydroxide bevat als zijn belangrijkste actief materiaal. Een negatieve plaat die hoofdzakelijk uit een waterstof-absorberende legering bestaat. Een isolator gemaakt van fijne vezels (Separator). Een alkalische elektrolyt. Een metalen behuizing. Een zelfsluitende plaat die fungeert als veiligheidsventiel (safety vent).
Hun structuur is identiek aan de Ni-Cd batterij. Bij de cilindrische nikkelmetaal hydride batterij, is de positieve en negatieve plaat gescheiden door de isolator. Dit geheel wordt opgerold als een rol en daarna in de behuizing geplaatst. De behuizing wordt verzegeld door een plaat (sealing plate) die geïsoleerd is ten opzichte van de behuizing.
70
Fig. 5.2 Opbouw batterij 5.1.3
Principe van elektrochemische reactie betrokken bij batterijen
Voor de positieve elektrode wendt de Ni – MH batterij net zoals de Ni-Cd batterij, nikkelhydoxide aan. Bij de negatieve elektrode wordt waterstof opgeslagen in een waterstof-absorberende legering. Deze elektroden zijn geplaatst in een oplossing, dewelke het elektrolyt is. Deze bestaat hoofdzakelijk uit kaliumhydroxyde. De laad – en ontlaadreactie zijn vervolgens weergegeven.
Fig. 5.3 Chemische reactie Zoals je kunt afleiden uit de afbeelding die de reactie beschrijft, is het principe achter de Ni-MH batterij het overbrengen van de waterstof. Waterstof beweegt van de positieve pool naar de negatieve pool tijdens het laden. Het omgekeerde gebeurt bij het ontladen. Het elektrolyt reageert niet tijdens het proces. Dit wil zeggen dat er geen elektrolyt wordt bijgemaakt of afgebroken. In de volgende tekening is een model voorgesteld van een batterij. De reactie neemt plaats op de rand van de elektrodes. De figuur laat zien hoe de reactie opgaat door de transfer van de H+ protonen.
71
Fig. 5.4 Reactie 5.1.4
Eigenschappen
Gelijkenis met de Ni-Cd batterij De Ni-MH batterij heeft dezelfde ontlaadkarakteristiek als de Ni-Cd batterij.
Fig. 5.5 Ontlaadkarrakteristiek van Ni-Cd en Ni-MH batterijen Dubbele energie intensiteit ten opzichte van de conventionele batterij. De Ni-MH batterij heeft ongeveer een dubbele capaciteit in vergelijking met de standaard Ni-Cd batterij. De levenscyclus is gelijk aan 500 keer op - en ontladen. Zoals de Ni-Cd batterij, kan de Ni-MH batterij 500 keer geladen en ontladen worden. Snel laden in ongeveer 1 uur tijd Ni-MH batterij kan snel geladen worden in één uur tijd. Men moet dan wel gebruik maken van speciale laadtechnieken.
72
Zeer goede ontlaad karakteristiek Omdat de inwendige weerstand van de Ni-MH batterij zeer klein is kunnen hoge ontlaadstromen (3CmA) verwezenlijkt worden. Dit is gelijkaardig aan de Ni-Cd batterij.
Fig.5.6 Capaciteit van de Ni-Cd en Ni-MH batterijen 5.1.5
De vijf belangrijkste karakteristieken
De Ni-MH batterij heeft 5 belangrijke karakteristieken: -
Laadkarakteristiek Ontlaadkarakteristiek De opslag levensduur De cyclus levensduur Veiligheid
De laadkarakteristiek De laadkarakteristiek van de Ni-MH batterij is afhankelijk van: -
Laadstroom Tijd Temperatuur
De batterijspanning stijgt recht evenredig met de stroom en omgekeerd evenredig met de temperatuur. De Ni-MH batterij zou geladen moeten worden bij een omgevingstemperatuur van 0°C tot 40°C met een laadstroom van 1CmA of minder. De beste laadefficiëntie is bij een temperatuur van 10°C tot 30°C. Herhaald gebruik van de batterij bij te hoge of te lage temperaturen zorgt voor vermindering van prestatie van de batterij. Dit resulteert in een snelle daling van de capaciteit.
73
Fig. 5.7 Laadkarakteristiek Ni-MH batterij bij verschillende laadstromen
Fig. 5.8 Laadkarakteristiek Ni-MH batterij bij verschillende temperaturen
Fig. 5.9 Temperatuur van de batterij in functie van geladen capaciteit en laadstroom.
74
5.1.5.1
De ontlaadkarakteristieken
De ontlaadkarakteristiek van de Ni-MH batterij is eveneens afhankelijk van temperatuur, tijd, stroom, …. De spanning bij het ontladen blijft stabiel rond de 1,2V. Dit is ook ongeveer de ontlaadspanning van de Ni-Cd batterij. De ontlaadspanning en de ontlaadefficiëntie daalt bij stijgende stroomafname of dalende temperatuur. In vergelijking met de Ni-Cd batterij heeft de Ni-MH batterij een slechte ontlaadkarakteristiek bij een hoge ontlaadstroom. Dit maakt de Ni-MH batterij minder bruikbaar bij zeer zware belastingen. Ze hebben bij het herhaalde laden en ontladen onder hoge stromen last van lage celspanningen. Deze karakteristiek kan geneutraliseerd worden door de batterij te ontladen onder de 1V per cel.
Fig. 5.10 Ontlaadkarakteristiek bij verschillende ontlaadstromen
Fig. 5.11Ontlaadkarakteristiek bij verschillende temperaturen
75
Fig. 5.12Batterijtemperatuur bij het ontladen De opslag levensduur Deze karakteristieken bevatten de zelf - ontladingskarakteristiek en de restauratiekarakteristiek bij lange tijd van bewaren. Wanneer de batterij lang wordt bewaard, zal zijn capaciteit dalen door zelfontlading. Deze lading kan terug bijgeladen worden.
Fig. 5.13 Zelfonltladingkarakteristiek bij verschillende temperaturen De zelfontlading wordt beïnvloed door de temperatuur waarbij de batterij is opgeslagen en ook door de opslagtijd. De ontlading gaat sneller naargelang de temperatuur stijgt en de opslagtijd langer wordt. Ni-MH batterijen hebben een uitstekende zelfontlaadkarakteristiek. Deze is vergelijkbaar met de ontlaadkarakteristiek van de Ni-Cd batterij. 5.1.5.2
De levenscyclus karakteristiek
De levenscyclus van deze batterijen is afhankelijk van de condities waaronder ze geladen en ontladen worden. Temperatuur en andere condities zijn belangrijk. Onder
76
goede omstandigheden kan de batterij meer dan 500 keer geladen en ontladen worden.
Fig. 5.14 Daling capaciteit bij meervoudig laden Veiligheid Wanneer de inwendige druk van de batterij stijgt zal de veiligheidsklep opengaan. Dit openen is te wijten aan overladen, kortsluiten, omgekeerd laden of misbruik. Dit beschermt de batterij van volledige destructie.
5.2
De batterijlader
5.2.1
Inleiding
De stroomvoorziening van de datalogger komt van een netadapter. Als optie kan je ook een batterij in de datalogger monteren. Deze batterij voorziet zichzelf niet van stroom en daarom is er een batterijlader ontworpen. De lader moet voldoen aan de volgende specificaties: -
Een batterij laden op 12V (10 cellen van 1,2V in serie) De batterijen moeten geladen zijn binnen twee uur tijd. Voorziet de datalogger van voeding tijdens het laden. De binnentemperatuur van de unit mag de 65°C niet overschrijden bij een buitentemperatuur van 50°C
Op de markt is er een brede waaier aan mogelijkheden voor deze specificaties. Ik heb gekozen voor een IC van MAXIM/Dallas, de MAX712CPE. Dit IC werkt van 0°C tot +70°C, heeft een spanning- en temperatuurcontrole, en bovendien kijkt het IC na of de maximum laadtijd niet is overschreden. Het IC houdt de laadstroom constant door de spanning over een weerstand in serie met de batterij te controleren en constant te houden. Het is een 16 pin IC. De datasheet van de MAX712CPE is bijgevoegd in de bijlage van deze bundel.
77
5.2.2
Schema
5.2.2.1
Chronologie
Het ontwerp vertrekt van het standaardschema van de datasheet. Nu was het de uitdaging om een batterij van 3600mAh op te laden in maximaal twee uur tijd.
Fig. 5.15 Basisschema datasheet De eerste wijziging aan het basisschema was de weerstandswaarde van Rsense aan te passen. Hierdoor ging de laadstroom zeer snel stijgen. Voor een laadstroom van 2,5A wordt de batterij opgeladen op een tijdsspanne van 2 uur. Hierdoor ontstond er een probleem. Hoe klein men de weerstandswaarde van Rsense ook kiest, de stroom komt niet boven de 1,5A. De reden hiervoor was dat de transistor Q1 een te kleine stroomversterking had en de DRV klem een te kleine stroom kon trekken. Voor dit probleem is er een eenvoudige oplossing. Deze was een stroomversterking toe te voegen aan het schema op basis van de transistor Q2. Bij het testen van deze gewijzigde schakelingen liep alles weer perfect. Hierbij werden de laad- en temperatuurskarakteristiek van de batterij opgemeten. Bij deze langdurige testen ontstond er echter een nieuw probleem. Het IC ging regelmatig stuk doordat het te warm werd. Het vermogenverbruik kwam er door de DRV klem. Deze klem onttrok de stroom uit de transistor Q2 om de laadstroom te regelen en had een hoge ingangspanning. Daarom was er een dissipatie van veel vermogen. Dit werd opgelost door een extra transistor Q3 te plaatsen. Deze transistor ontlast het IC van een hoge ingangspanning aan de klem. Na al deze aanpassingen was alles in orde met de laadstroom. Nu moest nog de temperatuurscontrole toegepast worden. Dit was tot nu toe nog niet nodig geweest omdat de batterij altijd werd geladen bij kamertemperatuur (± 20°C). Bij hogere omgevingstemperaturen moet gezorgd worden dat de batterij niet oververhit raakt. Deze temperatuurscontrole werd gerealiseerd door een temperatuursgevoelige weerstand in te bouwen.
78
5.2.2.2
Het definitieve schema
Fig. 5.16 Schema van de batterijlader
Van dit schema werd een PCB gemaakt. De bespreking van de PCB komt na de gedetailleerde uitleg van het schema dat nu volgt. 5.2.3
Werking van de MAX712CPE en schema
De voeding van de schakeling werd minimum 2V groter gekozen dan de maximale spanning van de batterij. Een 12V batterij haalt tijdens het laden een spanning van 15,5V. Daarom is de voeding 18V, iets meer dan 2V meer dan de maximale spanning van de batterij.
79
Waarom moet deze voeding minimum 2V meer zijn? -
-
-
In de schakeling kan men een diode in serie met de batterij opmerken. Tijdens het laden gaat over die diode een spanning van 0,7V staan. Dit is een spanningsval waar de transistoren, die de laadstroom moeten regelen, geen controle meer over hebben. Bij de batterij staat ook nog een weerstand Rsense. Bij “fast charge” mode staat hierover een spanning van 0,25V. Dit is ook een spanning waar de transistoren geen gebruik meer van kunnen maken tijdens het regelen van de stroom. De spanning over de transistoren zelf. De spanning VCE kan niet kleiner worden dan de saturatiespanning. Die saturatiespanning schommelt rond de 1V en is verloren voor de regeling van de stroom.
Deze 18V wordt geproduceerd door een netadapter. Deze adapter levert 18V spanning en een vermogen van 90Watt. Het grote vermogen is nodig omdat tijdens het laden een stroom wordt onttrokken van 2,5A door de lader en maximaal 2A door de datalogger. Dit vertegenwoordigt een vermogen van: PMAX = U . IMAX = 18V . ( 2,5A + 2A) = 81Watt De voeding van de IC is eenvoudig. De spanning in de IC wordt constant gehouden met een stroom van min 5mA en Max. 20mA door een zenerdiode te sturen. De stroom moet men leveren aan de V+ pin waarvan de spanning 5V is bij deze stroom. De waarde van de ingangsweerstand is dan eenvoudig te bepalen. Er is maar 1 onbekende, namelijk de voedingsspanning. Deze werd bepaald door de laadstroom en het batterijtype te kiezen. (Vvoeding – 5V) RV+ = -------------------- = R6 5...20mA De laadstroom wordt geregeld door de drie transistoren en een weerstand die in serie staan met de batterij. De IC tracht de spanning over de weerstand constant te houden door de stroom door de transistoren te regelen. De stuurstroom kan hij wijzigen met de DRV klem. Bij de “fast charge mode” gaat hij de spanning over Rsense ( = R8 ) 250mV houden en tijdens de “trickle charge mode” gaat hij er 16mV over houden. De controlespanning over Rsense wordt gemeten tussen de BATT- en GND klem. Merk wel op dat voor deze weerstand een vermogenweerstand wordt gebruikt. Waarom twee PNP transistoren en niet één? De driver kan maximaal een stroom onttrekken van 30mA en de hfe van de transistoren is minimaal 10. Dus moet men een stroomversterking maken. Voor de 2de transistor (stroomversterker) werd dezelfde vermogentransistor gekozen omdat deze toch relatief goedkoop is en ook nog een beduidende stroom moet leveren.
80
Waarvoor dient de NPN transistor? Deze transistor is nodig omwille van de vermogendissipatie in de IC. Als men een stroom van 30mA moet onttrekken en er is op de DRV klem een spanning van ruwweg 17V dan verbruikt het IC 17V * 0,03A = 510mW extra. Met de transistor, die geschakeld is als emittervolger, staat er nog 4,4V op de DRV klem en is het vermogen drastisch gedaald. Het komt de levensduur van de IC ten goede. In tegenstelling tot de datasheet werd de ingang van de NPN transistor niet genomen aan de V+ klem. Als men deze schakeling testte was de stroomvariatie aan de V+ klem te groot. Dus de instelweerstand RV+ was fout ingesteld. Daarom werd een zenerdiode van 5,1V met een weerstand in serie geplaatst om de basis van de NPN transistor op het juiste spanningsniveau te brengen. De waarde van de weerstand in serie met de zenerdiode werd 1KΩ genomen. Deze weerstand is zo gekozen zodat de nog 5,1V over de zener staat als de NPN transistor zijn maximale stroom onttrekt via de basis. De diode in serie met de batterij heeft eigenlijk maar 1 functie. Hij moet ervoor zorgen dat, wanneer er geen voedingsspanning is, de batterij zich niet gaat ontladen door de batterijlader zelf. Deze spert dus als er geen voedingsspanning is. Het instellen van de laadstroom gebeurt door de weerstand Rsense = R8. De stroom bij fast charge mode is dan 250mV IFast= -------------
16mV ITrickle= -------
R8
R8
Of 250mV R8 = ------------IFast
16mV R8 =
------ITrickle
Als IFast gekozen is dan is ITrickle ook bepaald. Men kan ITrickle nog aanpassen door middel van een extra transistor en wat wijzigingen, maar in het systeem was dit overbodig. De spanningscontrole van de batterij gebeurt tussen de klemmen BATT+ en BATT. De batterijlader gaat tijdens de “fast charge mode” de spanning om de twee minuten meten. Dit is nodig om te controleren dat er niet teveel spanning op de batterij staat en/of de batterij al dan niet volledig geladen is. De batterijspanning geeft een indicatie van het volledig geladen zijn van de batterij. Als men laadt met een constante stroom zal de spanning continu stijgen tijdens het laden. Als de batterij bijna geladen is gaat deze spanning snel stijgen en eventjes terug dalen. Wanneer de spanning lichtjes daalt, enkele mV, zal de lader stoppen met laden. In de
81
opstelling kan men deze daling van enkele mV niet serieus nemen, dit omwille van de omgevingstemperatuur. Als de omgeving rond de 50°C is gaat de batterijtemperatuur ook hoog zijn. De batterijtemperatuur is dan al zeker 55°C omwille van de temperatuur in de behuizing. Dit heeft tot gevolg dat de spanning van de batterij ook een beetje gaat fluctueren. Als de schommeling een kleine spanningsdaling tot gevolg heeft gaat de batterijlader te vroeg stoppen met laden. Dit is natuurlijk niet gewenst. Daarom kijkt het ontwerp enkel naar de temperatuur en de maximum toegelaten spanning van de batterij. Als de batterij een hoge temperatuur heeft is dat de indicatie om te stoppen met laden. Dit heeft tot gevolg dat de batterij bij lage omgevingstemperatuur iets langer gaat laden dan nodig. Maar dit is maar een kwestie van enkele minuten extra laadtijd en heeft geen nadelige gevolgen voor de batterij. Maar bij hoge temperaturen is dit ideaal. Waarom? Als de batterij in ontladen toestand al een temperatuur heeft van 55°C dan zal hij niet veel meer moeten opwarmen om de 65°C te halen. Als de temperatuur dan nog verder gaat stijgen, kan de batterij schade aan zichzelf veroorzaken door een te hoge inwendige druk. Dit moet men natuurlijk vermijden door te stoppen met laden. Het heeft wel tot gevolg dat de batterij nog niet vol geladen is, maar toch heeft ze dan langer geladen dan de batterij met een spanningscontrole. Opm.: De binnentemperatuur van de datalogger mag de 65°C niet overschrijden. De temperatuurcontrole gebeurt door een temperatuurgevoelige weerstand (NTC). Dit heeft tot gevolg dat de maximum en minimumtemperatuur een bepaalde spanningswaarde hebben. De maximum en minimumwaarde kunnen worden ingesteld aan de THI en de TLO klem. De eigenlijke spanning die overeenkomt met de temperatuur wordt aangesloten op de TEMP klem. De spanning aan de instelklemmen stelt men in door een spanningsdeling van weerstanden. Één van deze 2 weerstanden kan men regelbaar maken door voor deze weerstand een potentiometer te nemen. Deze temperatuurscontrole heeft 2 doelen: kijken wanneer de batterijtemperatuur te laag of te hoog is. -
Als de temperatuur te hoog is moet je stoppen met laden en overgaan tot “trickle charge mode”. Als de temperatuur te laag is moet je “trickle charge” doen tot de batterij in het toegelaten temperatuursgebied komt. Als de batterij in het gewenste temperatuursgebied is dan kan je overgaan tot de “fast charge mode”.
Hoe kan men de spanningen bepalen overeenkomend met de lage en hoge temperaturen? Dit is te bepalen met de datasheet van de NTC weerstand. Men gaat kijken wat de weerstandswaarde is bij 65°C (hoge temperatuur: 19,23KΩ) en bij 0°C (319,96KΩ.
82
Dan gaat men kiezen met welke weerstand men de NTC weerstand in serie gaat zetten. Hier werd gekozen voor 100KΩ, omdat deze tussen de 2 waarden ligt. Dus de spanning die men moet instellen bij THI is: 2V VTIH = ---------------------
.
100000 = 1,67V
.
100000 = 0,47V
(19230 + 100000) En de spanning bij TLO 2V VTLO = --------------------(319960 + 100000) Opmerking: Bij het ontwerpen van de batterijlader heb ik veel geworsteld met het probleem van temperaturen in de meetunit. Omdat ik niet naar de spanning van de batterij kijk, maar naar de temperatuur, kan ik een variabele laadstroom nemen. Dit heeft het grote voordeel dat ik in het begin sneller kan laden maar natuurlijk moet ik nog steeds rekening houden met de maximum laadstroom. Deze mag niet groter zijn dan 1CmA. Als je een grote laadstroom neemt dan zal tijdens het laden een grotere spanning over de batterij staan. Wanneer er een grotere spanning op de batterij staat, gaat er minder spanning over de transistoren staan. Dit heeft tot gevolg dat het vermogenverbruik in de transistoren gaat dalen. In mijn ontwerp ga ik in het begin (lege batterij) laden met de grootste toegelaten stroom (1CmA). De batterijspanning gaat redelijk snel stijgen. Het vermogenverbruik van de transistoren daalt. Wanneer de batterijspanning ongeveer 16V bereikt, zullen de transistoren in saturatie komen. Dit heeft tot gevolg dat de laadstroom niet meer constant is en lager dan 1CmA zal zijn. Dus nu heb je een minimaal vermogenverbruik in de transistoren. De voeding van de datalogger is zo ontworpen dat deze van de batterij komt als er geen netspanning is. Als de netspanning aanwezig is komt deze rechtstreeks van de adapter. Dit werd gerealiseerd door twee extra diodes. Het schema is eenvoudig maar effectief.
83
Fig. 5.17 Voeding van de datalogger Waarom een zelf ontworpen batterijlader? De lader kijkt vooral naar de omgevingstemperatuur van de batterij. Dit is nodig omdat de datalogger tot een temperatuur van 50°C moet kunnen werken. Deze temperatuur is een door het bedrijf zelf opgelegde waarde. Deze hoge buitentemperatuur leidt logischerwijs naar een hoge binnentemperatuur. Het gevolg hiervan is dat er een binnentemperatuur is van 60°C bij bedrijf. Voor de batterij wil dit zeggen dat deze niet te lang mag geladen worden. De oplossing is dan te stoppen met laden als de batterij 65°C haalt. Waarom 65°C? De datalogger bevat een toestel, de OM3. Dit toestel wordt gekoeld met een peltier element. De OM3 mag inwendig maar 25°C worden om correcte resultaten te meten. Daardoor mag het peltier element maximaal 70°C worden. Als de omgeving 70°C is zal het peltier element warmer zijn dan 70°C, anders is er geen energieoverdracht door warmte. Daarom mag de binnentemperatuur maximaal maar 65°C zijn.
5.3
PCB – Ontwerp batterijlader.
5.3.1
Inleiding
Voor de batterijlader werd een PCB gebouwd. Deze is ontworpen in het softwarepakket Protel DXP. Hiermee kwam ik al in contact via de opleiding aan de KHK en had ik al enige basiskennis en op het bedrijf was het softwarepakket aanwezig. 5.3.2
Protel DXP
Protel DXP is een softwarepakket van Altium. Hierbij werken verschillende programmaonderdelen samen en vormen één ontwerptoepassing. De belangrijkste toepassingen zijn het tekenen van een schema en het ontwerp van de PCB. Tijdens het ontwerp worden alle ontwerpdocumenten correct weergegeven en zijn de meest bijgewerkte ontwerpregels van toepassing op elk document. Protel DXP zorgt voor de controle op elektronische regels en ontwerpregels wanneer je een verandering
84
doet aan een document. Indien er fouten voorkomen, geeft Protel een melding er zorgt ervoor dat deze fouten niet over alle documenten verspreid worden tot ze verbeterd zijn. Verder kan er eenvoudig gewisseld worden tussen alle documenten van het project. Als het PCB ontworpen is, kan men ook output files genereren met Protel. Deze files zendt men op naar de fabrikant en met deze files gaat deze je print ontwikkelen. 5.3.3
PCB
Een PCB staat voor “Printed Circuit Board” en bestaat uit een aantal lagen glasvezels die op elkaar zijn geperst. Het ontworpen PCB bestaat uit het materiaal FR4. Dit glasvezelproduct heeft meestal een groene kleur en is niet of nauwelijks buigzaam. Hierdoor is het ook geschikt om zwaardere componenten te dragen. Door het etsen worden koperbanen op de PCB geplaatst (Het overtollige koper wordt verwijderd). Deze koperbanen zijn paden of tracks, waarmee de contactpunten van de componenten met elkaar in verbinding staan. De componenten bevestigt men op de PCB via solderen. Een PCB bestaat uit verschillende lagen. Elke laag heeft zijn naam en doeleinde.
Fig. 5.18 Lagen PCB -
-
De top-layer: Dit is de bovenste laag van de PCB welke ook wel eens componenten laag wordt genoemd. Hierop komen de componenten te staan. De bottem-layer: Dit is de onderste laag van de PCB. Hierop worden de componenten gesoldeerd. Vandaar dat dit ook wel de soldeerzijde wordt genoemd. De inner-layer: Dit zijn layers die zich tussen de top- en bottem-layer bevinden. Men spreekt soms over een vier of zes lagen print. De topsilk-layer: Deze layer bevat een tekening van de componenten en waar ze geplaatst worden op de PCB. Ook de juiste grootte van de componenten wordt weeggegeven. Dit om het soldeerwerk te vergemakkelijken. De bottomsilk-layer: Deze layer heeft dezelfde functie als de topsilk-layer enkel wordt deze op de bottem-layer geplaatst.
85
-
De mechanical-layer: Deze tekening geeft alle bevestigingspunten weer voor de montage of inbouw van de PCB.
Het ontworpen PCB voor de batterijlader bestaat uit 2 lagen met paden: de top- en bottomlayer. De schakeling kan men eenvoudig implementeren met een enkellagige print maar bij de constructeur “Europrints” heeft een PCB met 1 of 2 lagen dezelfde prijs. Daarom werd er voor 2 lagen geopteerd. 5.3.4
Componenten
De gebruikte componenten zijn allemaal through-hole componenten. Dit zijn de klassieke elektronische componenten. In de PCB dienen gaten geboord te worden waarin de aansluitpunten van de through-hole componenten komen. Meestal worden de componenten aan de bovenzijde gemonteerd en aan de onderzijde gesoldeerd. Het afwijken hiervan vormt geen probleem voor het solderen van deze componenten omdat de boorgaten doorgemetalliseerd zijn. De through-hole componenten moeten steeds meer en meer plaats maken voor een nieuwere techniek, namelijk: SMT of Surface Mount Technology. Er bestaan ook nog SMD componenten. SMD (Surface Mount Device) componenten zijn vervaardigd naar het SMT principe. Al de SMD componenten zijn een stuk kleiner dan traditionele componenten wat al een groot voordeel is wanneer de plaats beperkt is. SMD componenten worden op de printplaat gemonteerd door ze vast te lijmen en/of te solderen. Hierdoor wordt het aantal boorgaten sterk gereduceerd. Enkel de via’s dienen nog geboord en doorgemetalliseerd te worden. Het ontwerp gebruikt through-hole componenten en niet SMD omdat de batterijlader manueel wordt bestukt (kleine hoeveelheid). SMD is moeilijk zelf te plaatsen. Daarom is SMD niet interessant in dit project. 5.3.5
Ontwerp zelf
Vooreerst dient er een analyse te gebeuren van wat het ontwerp moet bevatten. Hierbij moet men denken aan bepaalde aspecten die uiterst belangrijk zijn. Men moet bijvoorbeeld rekening houden met de afmetingen van de PCB en connecties naar de buitenwereld toe. Dit kunnen de bevestigingsschroeven van de PCB zijn of in- en uitgangspoorten voor voeding en gegevensuitwisseling, of nog het zichtbaar maken van informatie met behulp van een display. Het is ook ten sterkste aan te raden een componentenlijst aan te maken met de daarbij horende datasheets. Hierdoor kent men elke eigenschap van de componenten en welke afmetingen ze bevatten die nodig zijn voor de footprint of afdruk van de component op de print. Men geeft ook elke component een unieke label of designator zodat verwarring kan vermeden worden.
86
Zorg er ook voor dat bij aanvang van het project, alle componenten ter beschikking zijn zodat de afmetingen gecontroleerd kunnen worden. Indien boorgaten een te kleine diameter bevatten kunnen deze nog worden uitgeboord. De kans bestaat dan echter wel dat het geleidende materiaal dat zich rond en in het boorgat bevindt, beschadigd is. Hierdoor gaan sommige connecties verloren en zal de print fouten veroorzaken. In het ontwerp werden de transistoren allemaal samen aan de rand van de PCB geplaatst met de rug naar de rand van de PCB. Dit omdat de transistoren de meeste warmte produceren en daarom makkelijk te monteren moeten zijn tegen de wand van de behuizing. De banen waar de laadstroom moet door vloeien werden zo dik gemaakt als mogelijk. Zo vormen deze banen geen te hoge weerstand voor de stroom. De temperatuurscontrole werd gegroepeerd zodat deze makkelijk af te stellen is. De routering werd volledig manueel gedaan. Dit omdat de autorouter te veel plaats nodig had om de banen te trekken. Daardoor is de print een zeer compact geheel geworden. Al de componenten staan dan ook zeer dicht tegen elkaar.
Fig. 5.19 PCB batterijlader en bestukte print
5.4
De laadkarakteristieken van de batterijlader
Deze resultaten werden zelf opgemeten en verwerkt. Door herconfiguratie en testen van de lader bekomt men verschillende grafieken.
87
De volgende grafiek geeft de spanning van de batterij weer tijdens het laden. De laadstroom is een constante en bedraagt 2A. Na de laadstroom van 2A gaat de lader even over naar “trickle charge mode” en daarna gaat de batterij even ontladen.
15,5 15 Spanning [V]
14,5 14 13,5 13 12,5 12 11,5 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120
Tijd [minuten]
Fig. 5.20 Laden batterij Zoals men kan zien is bij de start van het laden de batterijspanning laag, 10.51V om precies te zijn. De spanning loopt zeer snel op tot 14V om dan een stabiel stijgend verloop te tonen. Na 85 minuten is de batterij bijna geladen. Dit merkt men omdat de spanning snel begint te stijgen. Na 103 minuten is de batterij volledig opgeladen. De spanning van de batterij is enkele mV gedaald ten opzichte van de maximaal gehaalde spanning tijdens het laden. De geladen capaciteit is nu: 103min 2A . ------
= 3,43Ah
60 Dit is een goed resultaat (de batterij heeft nu een capaciteit van 3.6Ah) omdat de batterij al veel getest is. Door deze vele laadcyclussen bij het testen daalt de capaciteit van de batterij, zoals al eerder vermeld. Na 103 minuten ziet men dat de spanning daalt naar 14.6V. Dit is normaal omdat de batterijlader stopt met het snel laden en overgaat naar “trickle charge”. Als men met deze “trickle charge” verder gaat stabiliseert de spanning bij 14.19V. Na 115 minuten ziet men dat de batterijspanning weer daalt. Dit is omdat de voedingspanning weggenomen werd en de datalogger de batterij gaat ontladen. De spanning van de batterij blijft rond 11.5V hangen gedurende lange tijd. Als de batterij een spanning van 9V haalt stopt de datalogger met werken. Dit komt omdat de ingangspanning van de DC/DC converter tussen de 18V en de 9V moet liggen.
88
De DC/DC converter is de voeding van de datalogger. De DC/DC converter zorgt voor de juiste spanning. OPM.: In deze grafiek wordt enkel rekening gehouden met de spanning en niet met de temperatuur gehouden. De huidige batterijlader doet dit niet. De karakteristiek die rekening houdt met de temperatuur volgt later in dit hoofdstuk. 14
Spanning [V]
13
12
11 10 1
21
41
61
81
101
121
141
Tijd [minuten]
Fig. 5.21 Ontlaadkarakteristiek batterij Bovenstaande grafiek geeft de batterijspanning in functie van tijd. De batterij wordt ontladen over een weerstand. De stroom/spanning verhouding is een constante. Zoals men kan zien blijft de batterij boven de 11V tot ze volledig ontladen is. De volgende grafiek beschrijft de temperatuur van een batterij in functie van de tijd. De omgevingstemperatuur is 23,7°C. Merk wel op dat de batterij al een hogere temperatuur heeft omwille van de ontlading die eerst gebeurd is. De figuur beschrijft de temperatuur tijdens het laden van de batterij gedurende de eerste 90 minuten. De laadstroom is nog steeds 2A. Het laden duurt niet zolang omdat de batterij niet volledig ontladen was. Als de batterij bijna vol is stijgt dat de temperatuur sneller. Dit is ook een indicatie dat de batterij volledig geladen is. Na de 90 minuten gaat de lader over naar trickle charge. De temperatuur van de batterij daalt en blijft stabiel op 34,5°C.
89
39
Temperature [°C]
38 37 36 35 34 33 1
21
41
61
81
101 121 141 161 181 201 221 Tijd [m inuten]
Fig. 5.22 Temperatuur batterij De volgende grafiek geeft de spanning van de batterij bij een laadstroom van 3.6A. Dit is de maximale laadstroom die is toegestaan. Deze laadstroom heeft tot gevolg dat de maximale spanning van de batterij tijdens het laden veel hoger gaat zijn dan 16V. Men zou dus kunnen zeggen dat de voedingspanning te klein is en de laadstroom niet gehaald zal worden omdat de transistoren in saturatie gaan. Dit gaat net een voordeel zijn voor de ontworpen schakeling. Als de transistoren in saturatie gaan wil dit ook zeggen dat ze een minimale spanning over zich hebben staan. Het gevolg hiervan is dat ze het laagste vermogen gaan dissiperen. Als de transistoren in saturatie gaan heeft dit tot gevolg dat de laadstroom nimmer een constante stroom is. Dit is voor de ontworpen schakeling geen probleem omdat enkel de temperatuur nagegaan wordt. Daarom mag de spanning over de batterij een constante zijn tijdens het laden. Dit laden stopt als de temperatuur van de batterij 65°C bereikt heeft. 16 14
Spanning [V]
12 10
batterijspanning
8
transistorspanning V Rsense
6 4 2 0 tijd
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tijd [m inuten]
Fig. 5.23 Laadkarakteristiek
90
3
Stroom [A]
2,5 2 STROOM
1,5 1 0,5 0 tijd
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tijd [m inuten]
Fig. 5.24 Stroom tijdens het laden In bovenstaande grafieken kan men zien dat na ongeveer 8 minuten de spanning van de batterij 16V haalt. Dit is het punt dat de transistoren in saturatie komen. De spanning van de batterij blijft constant. De spanning over Rsense daalt tijdens het laden en haalt de 250mV nooit. De dalende spanning over Rsense tijdens het laden komt er om de volgende reden. De spanning van de batterij stijgt tijdens het laden. Deze stijging heeft tot gevolg dat er een lagere laadstroom komt. Deze daling heeft tot gevolg dat de saturatiespanning van de transistoren lichtjes daalt en de spanning over Rsense ook daalt. Na ongeveer 60 minuten is de batterij volledig geladen. Hij heeft een temperatuur bereikt van 65°C. De IC regelt de spanning over Rsense af naar 16mV en de stroom daalt tot een 250mA. De spanning over de batterij is nu 14.5V en over de transistoren 3V. De “trickle charge” gebeurt zoals in de eerste grafieken.
5.5
Het implementeren van de batterijlader in de datalogger.
Nu de batterijlader ontworpen is en alles uitvoerig is getest, is het de hoogste tijd om alles te implementeren in de datalogger. Dit lijkt eenvoudig maar schijn bedriegt. De temperatuur in de datalogger is al kritisch zonder de batterijlader. De binnentemperatuur schommelt nu al rond de 60°C bij een buitentemperatuur van 50°C en dit wil zeggen dat er niet veel marge is om de batterijlader extra warmte te laten produceren. Dus de plaatskeuze van de componenten is kritisch en een paar wijzigingen in de datalogger zullen nodig zijn. Een zeer groot probleem is dat er geen externe koeling op de datalogger aanwezig en de behuizing volledig gesloten is. Dit wil zeggen dat de warmte is opgesloten in de behuizing. De warmte kan enkel naar de buitenwereld via de wand van de behuizing.
91
Een andere vraag is dat er geen mechanisch bewegende onderdelen in de datalogger aanwezig mogen zijn. Dit laatste blijkt niet mogelijk te zijn: één ventilator in de behuizing zal nodig zijn. 5.5.1
Temperatuur
Het eerste idee om de temperatuur in de datalogger te laten dalen is al het overtollige eruit te halen. Kabels inkorten en overbodige connectoren van de computer verwijderen. Wat houdt dit concreet in? De USB kabel van de PC naar de optical switch, de seriële communicatie van het touchscreen, de seriële kabel van het scherm en de communicatie met de OM3 worden onder handen genomen en ingekort. De elektriciteitsvoorziening ondergaat ook een herconfiguratie. Dit resulteert in een systeem met veel vrije ruimte tussen de componenten van de datalogger. Het resultaat hiervan is dat de temperatuur daalt. Dit is omdat de warmte niet tussen de kabels geïsoleerd blijft. De warme lucht kan makkelijker de “koude” wand van de behuizing vinden (luchtcirculatie door temperatuursverschil). Deze temperatuurdaling is niet voldoende. De natuurlijke luchtcirculatie is beperkt en kan verbeterd worden. Nu er meer ruimte tussen de componenten voorhanden is, is het efficiënt om een interne ventilator te plaatsen zodat de lucht meer contact krijgt met de behuizing. Een extra voordeel van deze ventilator is dat het peltier element van de OM3 geforceerd zal gekoeld zijn. Door deze geforceerde koeling mag de inwendige temperatuur in de datalogger 65°C worden. De ventilator wordt zo geplaatst dat er een maximale luchtstroom is over de OM3 en het moederbord van de computer. Want hier wordt tenslotte ook de meeste warmte geproduceerd. De ventilator is een standaard PC ventilator. Dit omdat deze op 12V werkt en makkelijk gevoed kan worden vanuit de DC/DC converter. 5.5.2
Plaatsing van de componenten
De DC/DC converter is de voeding van de datalogger. Bij een ingangspanning van 9 tot 18V geeft deze de correcte uitgangspanningen voor het systeem. De converter wordt warm. De PCB van de batterijlader werd in de buurt van de DC/DC converter geplaatst. Dit omdat de componenten van de batterijlader warm worden. De redenen om deze in elkaar buurt te plaatsen zijn de volgende: Een energiestroom van warmte ontstaat door een temperatuurverschil. Hoe groter het temperatuursverschil hoe meer energie per tijdseenheid wordt overgedragen. Deze 2 componenten staan samen en is een hot spot op de buitenkant van de behuizing.
92
Men moet wel opletten dat de maximaal toegelaten temperatuur van de componenten en DC/DC converter niet overschreden worden. Dit kan resulteren in een slechte werking van of zelfs blijvende schade aan de componenten. De montage van de batterijlader gebeurt niet door een traditioneel schroef of klik systeem maar met een strip die aan beide kanten kleeft. Waarom werd voor deze strip gekozen? De strip heeft drie grote voordelen: het kan componenten stevig vastplakken, het is een uitstekende geleider voor warmte en een isolator voor de elektrische stroom. Dit zijn drie onmiskenbare voordelen. De DC/DC converter en batterijlader worden dan ook rechtstreeks via deze strip tegen de behuizing geplakt.
Fig. 5.25 Strip en componenten bevestigen met strip Na uitvoerige temperatuurtesten bleek dat deze montage niet voldeed. De transistoren op de lader waren regelmatig stuk. Het probleem dat zich voordeed was dat de transistoren niet genoeg warmte kwijt konden langs de behuizing. De oplossing is de warmtestroom te vergroten. Dit kan door de thermische weerstand te verlagen of door de hotspot groter te maken. Er werd voor beiden gekozen. Daarom is ter hoogte van de voeding de verf van de behuizing verwijderd om de thermische weerstand te verlagen. Op de plaats waar de verf verwijderd is werd een dikke ijzeren plaat (4mm) gemonteerd met de warmtegeleidende strip. Dit resulteert in een lagere thermische weerstand omdat de verf weg is en een groter oppervlakte van de hotspot. De grotere oppervlakte komt er omdat de warmte zich beter kan herverdelen in de dikke plaat. Op deze plaat wordt de voeding en de transistoren gemonteerd. Bij de nieuwe temperatuurtesten blijkt deze configuratie te voldoen. Nu de voeding en batterijlader een plaats hebben gekregen in de datalogger is het de beurt aan de batterij. De plaatsing van de batterijen is niet willekeurig. Dit omdat de batterij een lek kan vertonen. Als dit zou gebeuren moet men voorzien dat de andere componenten van de datalogger niet besmeurd of beschadigd worden. Daarom is de batterij volledig op de bodem van de datalogger geplaatst. Een betere oplossing hiervoor zou zijn de batterij in een andere kamer te plaatsen. Deze mogelijkheid is er niet in dit ontwerp.
93
Bij de plaatsing moet men zorgen dat de batterij goed tegen de behuizing is geplaatst. Dan is er meer contact met de koude buitenwereld want tijdens het laden wordt de batterij natuurlijk ook warm. Deze plaatsing heeft ook een klein voordeel. De batterij kan dan iets langer laden bij hoge temperaturen in de datalogger, omdat deze beter gekoeld is. Boven de batterij is er een grote opening. Dit is een ideale plaats om de SLED en de GSM-terminal te plaatsen. De SLED is tegen de behuizing geplaatst omdat daar voorzieningen zijn om deze te monteren. Omdat de SLED zeer stevig gemonteerd is tegen de behuizing en ook uit zichzelf zeer robuust is, is de GSM-terminal geïimplementeerd tegen de SLED met velcro strips. Waarom velcro strips? De batterijlader in de datalogger zal ooit aan vervanging toe zijn. Omdat deze volledig tegen de bodemplaat gemonteerd is, zal men er niet aan kunnen als de GSM-terminal erboven gemonteerd werd. Maar als men deze GSM-terminal eenvoudig kan verwijderen (doormiddel van velcro strips) kan men makkelijk de batterij vervangen. De montage van de velcro op de SLED en GSM is door een klevende strip. Dit is eenvoudig en stevig. De plaatsing van het moederbord is op de bodem van de behuizing, ongeveer 5mm boven de bodemplaat. Deze moet daar gemonteerd worden omdat de connectoropeningen van de pc naar de buitenwereld daar voorzien is. Boven het moederbord komt de OM3, omwille van de geforceerde koeling. Tenslotte komt de optical switch boven de OM3. Het scherm is gemonteerd in de frontplaat van de behuizing. De optical connectoren zijn ook in de frontplaat gemonteerd.
TEMPERATUURTESTEN De volgende grafieken beschrijven de uiteindelijke testresultaten van de temperatuurtest. Zoals men kan zien komt het peltier element van de OM3 nooit boven de 70°C en de inwendige temperatuur van de PC nooit boven de 65°C. Dit is dan ook een designvereiste.
94
datalogger temp bij laden in een omgeving van 40°c
Temperatuur [°C]
65 60 55
PC om3
50 45 40 35 1
10
19
28
37
46
Tijd [minuten]
Temperatuur [°C]
Laden bij 45°C
65 60
pc transistoren OM3
55 50 45 1
10
19
28
Tijd [minuten]
Temperatuur [°C]
Laden bij 50°c
72 67 PC Transitoren OM3
62 57 52 47 42 1
10
19
28
Tijd [minuten]
Fig. 5.26 Temperatuurs testen
95
6
ALGEMEEN BESLUIT
Vaak hoor je mensen zeggen dat je meer kennis opdoet tijdens het werk dan op school. Wanneer ik er nu na het verloop van mijn stage over na denk, kan ik het er mee eens zijn. Tijdens deze stage heb ik veel bij geleerd. Dit vooral omdat ik in contact ben gekomen met een tak van de industrie die me voorheen nog weinig tot niet bekend was, namelijk de optische vezel- en fiber bragg grating technologie. Het toestel dat ik samen met FOS&S ontwikkelde, is een vooruitstrevend iets. Dit geldt in principe voor alle toestellen die zij op de markt brengen. Alleen is het spijtige eraan, dat de technologie nog niet volledig ingeburgerd is. Hierdoor is het soms moeilijk om te zoeken naar een afzetmarkt voor deze producten. Toch ben ik ervan overtuigd dat de voordelen van de optische technologie ervoor zal zorgen dat binnen een bepaalde tijdspanne de elektronica verdreven wordt. Dit toch zeker bij de industrietak waarin de optische technologie aan zijn opmars bezig is. Het toestel heeft zijn dienst al bewezen in de industrie. Dit blijkt uit de toepassingen. Toch is er nog verbetering mogelijk aan de FBG – datalogger. Daarom is het nuttig om te luisteren naar specifieke behoeften van de klant zijn behoeften.
96
BIJLAGE 1 MAX712
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
LITERATUURLIJST Cuypers, J., Softwareontwikkeling voor Spectraleye Interrogator, Geel, 2004, 1e druk, 104 blz. Goetschalckx, S., Ontwikkeling van een optische waterstofsensor gebaseerd op fiber Bragg grating technologie, Geel, 2002, 1e druk, 115 blz. Premier EDA Solutions, ‘Protel DXP, a better approach to board-level design’, internet, Premier EDA Solutions, 1994, (http://www.eda.co.uk/protelDXP.html). Protel, ‘Board-level design (http://www.protel.com).
system
from
Altium’,
internet,
Protel,
1996,
Smets, D., ‘Gedrukte schakelingen PCB = Printed Circuit Board’, internet, KHLim, (http://www.khlim.be/~dsmets/cursus/3iielo/pcb.pdf). Soon, J., ‘Optical Switching (http://www.transoptix.com).
Solutions’,
internet,
TransOptix,
2003,
Voet, M., ‘Fiber Bragg Grating Technology’, Internet, FOS&S, 2001, (http://www.foss.be/fos%2Ds/). Boons, B, Technical Report March 2006, Geel, 1ste druk, 63blz. Siemens, TC35/MC35 terminal user Guide ,Internet, Siemens, gevonden in september 2005 www.siemens.com/WM Maxim/Dallas , MAX712, Gevonden in ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/3282
september
2005
,
www.maxim-
