Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici

Vedran Budinski OPTIČNI VLAKENSKI SENZOR ZA MERJENJE TEMPERATURE V MIKROVALOVNI PEČICI Diplomsko delo Maribor, december 2012

Stran I Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa OPTIČNI VLAKENSKI SENZOR ZA MERJENJE TEMPERATURE V MIKROVALOVNI PEČICI Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Vedran Budinski UN Elektrotehnika Avtomatika red. prof. ddr. Denis Đonlagić Maribor, december 2012

Stran II Številka: 93575293 Datum in kraj: 04.12.2012, Maribor Na osnovi 330. člena Statuta Univerze v Mariboru (Ur. l. RS, št. 01/2010) izdajam SKLEP O DIPLOMSKEM DELU 1. Vedranu Budinskemu, študentu univerzitetnega študijskega programa ELEKTROTEHNIKA, smer Avtomatika, se dovoljuje izdelati diplomsko delo pri predmetu Senzorji. 2. MENTOR red. prof. ddr. Denis Đonlagić 3. Naslov diplomskega dela: OPTIČNI VLAKENSKI SENZOR ZA MERJENJE TEMPERATURE V MIKROVALOVNI PEČICI 4. Naslov diplomskega dela v angleškem jeziku: FIBRE OPTIC TEMPERATURE SENSOR FOR MICROWAVE OWEN 5. Diplomsko delo je treba izdelati skladno z Navodili za izdelavo diplomskega dela in ga oddati v treh izvodih (dva trdo vezana izvoda in en v spiralo vezan izvod) ter en izvod elektronske verzije do 04. 12. 2013 v referatu za študentske zadeve. Pravni pouk: Zoper ta sklep je možna pritožba na senat članice v roku 3 delovnih dni. Obvestiti: kandidata, mentorja, odložiti v arhiv.

Stran III ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju ddr. Denisu Đonlagiću za pomoč in nasvete pri izdelavi diplomske naloge. Zahvala vsem zaposlenim v Laboratoriju za elektro-optične in senzorske sisteme. Posebno se zahvaljujem mami za neizmerno podporo v času študija.

Stran IV OPTIČNI VLAKENSKI SENZOR ZA MERJENJE TEMPERATURE V MIKROVALOVNI PEČICI Ključne besede: Optično vlakno, temperaturni senzor, modulacija svetlobnega toka, termo-optični koeficient, temperaturno občutljiva polimerna obloga, mikrovalovi UDK: 681.586.5:535(043.2) Povzetek Diplomsko delo obravnava izdelavo optičnega vlakenskega senzorja za merjenje temperature na principu modulacije svetlobnega toka, ki ima temperaturno občutljivo polimerno oblogo. V delu je podrobno opisan postopek izdelave senzorja, tako optičnega dela kakor tudi priprave temperaturno občutljivega polimera. Pravtako je opisan postopek načrtovanja in izdelave elektronskih vezij za pretvorbo in obdelavo optičnega signala ter krmiljenje mikrovalovne pečice. Predstavljeni so bili postopki umerjanja in preizkusa celotnega sistema.

Stran V FIBRE OPTIC TEMPERATURE SENSOR FOR MICROWAVE OVEN Key words: optical fibre, temperature sensor, light intensity modulation, thermo-optic coefficient, temperature sensitive polymer cladding, microwaves UDK: 681.586.5:535(043.2) Abstract This thesis deals with the manufacturing of fibre optic temperature sensor based on light intensity modulation with temperature sensitive polymer cladding. The thesis detailed describes the manufacturing process of the fibre optic sensor tip and temperature sensitive polymer. Furthermore, the thesis describes the design and manufacturing process of electronic components and electronic circuits for the conversion and processing of the optical signal and also for controlling the microwave oven. In the end, the configuration was calibrated and tested.

Stran VI Vsebina 1 UVOD... 1 2 OPTIČNA VLAKNA... 2 2.1 OPTIČNO VLAKNO... 2 3 TERMO-OPTIČNI KOEFICIENT... 4 3.1 VPLIV SPREMEMBE VREDNOSTI LOMNEGA KOLIČNIKA OBLOGE NA ŠTEVILO RODOV V MNOGORODOVNEM OPTIČNEM VLAKNU... 5 4 OPTIČNI VLAKENSKI SENZORJI... 6 5 POLIMERI... 9 5.1 ZGRADBA POLIMEROV... 9 5.2 DELITEV POLIMEROV... 11 5.2.1 Kopolimeri... 11 5.3 LASTNOSTI POLIMEROV... 13 5.4 MEŠANJE POLIMEROV... 14 5.5 TEHNIČNO POMEMBNI POLIMERI... 15 5.6 POSTOPKI IZDELAVE POLIMEROV... 16 6 ZASNOVA MERILNEGA SISTEMA... 17 6.1 ZASNOVA SENZORJA... 18 6.2 ZASNOVA OPTO-ELEKTRONSKEGA DELA... 19 7 OPTIČNI SKLOP... 20 7.1 Optična vlakna... 20

Stran VII 7.2 Optični delilnik... 21 7.3 Izdelava senzorja... 24 7.3.1 Osnovna struktura senzorja... 24 7.3.2 Jedkanje steklenih optičnih vlaken (SiO 2 ) v fluorovodikovi kislini... 25 7.3.3 Temperaturno občutljiva obloga... 27 7.3.4 Izdelava senzorja brez posrebrenega konca vlakna... 38 8 ELEKTRONSKI SKLOP... 41 8.1 Napajanje... 41 8.2 Mikrokrmilnik... 43 8.2.1 A/D pretvornik... 44 8.2.2 Delovanje programa Algoritem... 45 8.2.3 Komunikacija mikrokrmilnika z osebnim računalnikom... 46 8.3 Vir in detektor... 47 8.3.1 Svetleča dioda (LED)... 47 8.3.2 Detektor... 51 8.4 Operacijski ojačevalnik in filter... 53 8.4.1 SPI komunikacija... 56 8.5 LCD zaslon... 58 8.5.1 Tipke za upravljanje... 59 8.6 Krmilje za mikrovalovno pečico... 60 9 PREDSTAVITEV CELOTNEGA SISTEMA IN REZULTATOV... 62 9.1 Predstavitev sestavljenega sistema... 63 9.2 Predstavitev rezultatov... 66 9.2.1 Določitev karakteristike senzorja... 66 9.2.2 Opis preizkusa in rezultatov... 68 10 ZAKLJUČEK... 70 10.1 Izboljšave... 70

Stran VIII 11 LITERATURA IN OSTALI VIRI... 72 12 KAZALO SLIK... 76 13 KAZALO TABEL... 78 14 PRILOGE... 78

Stran IX UPORABLJENI SIMBOLI λ valovna dolžina 8 c hitrost svetlobe v praznem prostoru ( 2,9979 10 m ) s 6 µ 0 magnetna permeabilnost praznega prostora ( 1,256 10 Vm ) As µ r magnetna permeabilnost medija 12 ε 0 dielektrična konstanta praznega prostora ( 8,854 10 As ) Vm ε r duelektrična konstanta medija n lomni količnik medija v f hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja v snovi α koeficient linearne spremembe dolžine s temperaturo

Stran X UPORABLJENE KRATICE A/D analogno/digitalno LCD prikazovalnik zasnovan na tehnologiji tekočih kristalov GPIO - pini, katerim je možno programsko določiti funkcijo SPI vmesnik za serijsko komunikacijo SCLK urin takt serijskega vodila SS izbira podrejene naprave MOSI prenos podatkov s smeri gospodar-suženj MISO prenos podatkov s smeri suženj-gospodar DC istosmerna napetost AC izmenična napetost LED svetleča dioda USB univerzalni serijski vmesnik COM serijski komunikacijski vmesnik SNR razmerje signal/šum CMMR sofazni rejekcijski faktor MEMS tehnologije za izdelavo miniaturnih sistemov TIV tiskano integrirano vezje

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 1 1 UVOD Mikrovalovna pečica je med najbolj razširjenimi gospodinjskimi aparati in omogoča predvsem hitro in učinkovito termično obdelavo hrane in tekočin. Žal pa narava neposrednega mikrovalovnega ogrevanja prinaša tudi vrsto težav za uporabnike. Za razliko od vseh ostalih postopkov termične priprave hrane je ogrevanje z mikrovalovnim virom močno odvisno od specifične toplote hrane, njene mase, termične prevodnosti, vsebnosti vode in nekaterih drugih dejavnikov. Dodatno se lahko te lastnosti hrane med delovanjem oziroma pripravo spreminjajo, npr. pri odmrzovanju zamrznjenih živil. V praksi je zato zgolj z nastavitvijo moči in časa delovanja mikrovalovnega vira težko doseči optimalen učinek. Neustrezna uporaba mikrovalovne pečice vodi v slabo oziroma neustrezno pripravljeno hrano. Prav zaradi zapletene optimalne uporabe se pogosto skrči uporaba mikrovalovne pečice tudi pri spretnih končnih uporabnikih le na enostavnejše naloge pogrevanja hrane ali pijače. Slednji razlogi so nam dali motivacijo, da smo se v tej diplomski nalogi lotili izdelave sistema za inteligentno vodenje mikrovalovne pečice s sprotnim spremljanjem temperature grete hrane oziroma tekočine. Zaradi specifičnih pogojev tj. učinka mikrovalov smo naredili optični vlakenski senzor na osnovi steklenih optičnih vlaken. V naslednjih poglavjih smo opisali zgradbo optičnega vlakna, vrste optičnih senzorjev, pojem termo-optičnega koeficienta in lastnosti polimerov. Zatem smo razložili izdelavo optičnega senzorja, izdelavo pripadajočih elektronskih vezij ter vgradnjo slednjih v mikrovalovno pečico in na koncu komentirali rezultate testiranj.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 2 2 OPTIČNA VLAKNA Da bi razumeli koncept optičnih vlaken, bomo najprej opisali nekaj osnov, kako svetloba potuje po optičnem vlaknu. Opisali bomo delovanje optičnih vlakenskih senzorjev. 2.1 OPTIČNO VLAKNO Optično vlakno je dielektrična struktura, narejena iz dveh plasti materialov z različnima lomnima količnikoma, po katerem lahko potuje svetloba. Uporabljamo jih za prenos tako vidne svetlobe, kot tudi infrardečega in ultravijoličnega valovanja. Optično vlakno je sestavljeno iz jedra, po katerem potuje svetloba, obloge, ki omejuje svetlobo na jedro in primarne zaščite, ki varuje vlakno pred poškodbami (Slika 1). Širjenje svetlobe po vlaknu temelji na pojavu popolnega odboja, do katerega pride na meji med jedrom z višjim lomnim količnikom in oblogo z nižjim lomnim količnikom [1]. Jedro Obloga Primarna zaščita Slika 1: Zgradba optičnega vlakna Na sliki 2 vidimo kako se širi žarek po vlaknu. Opazimo, da žarek vstopi v oblogo. V slednjem električno polje ne izgine nenadoma, ampak zvezno upada proti vrednosti nič. Jakost električnega polja na meji med dielektrikoma je enaka in začne eksponentno upadati z oddaljevanjem od meje. Temu polju, ki se širi po oblogi pravimo evanescentno polje [1].

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 3 Obloga Jedro Slika 2: Širjenje svetlobe po optičnem mediju Valovodne lastnosti vlakna so odvisne od oblike oz. strukture vlakna, relativnih dimenzij jedra in obloge glede na valovno dolžino svetlobe ter dielektričnega tj. lomnega lika vlakna. Glede na valovodne lastnosti delimo optična vlakna v naslednje skupine [1]: Mnogorodovna vlakna: - mnogorodovna vlakna s stopničnim lomnim likom - mnogorodovna vlakna z gradientnim lomnim likom Pri mnogorodovnem vlaknu je premer jedra mnogo večji od valovne dolžine vodene svetlobe. Standardni premeri mnogorodovnih vlaken so: 50/125, 62.5/125, 100/140 (premer jedra/premer obloge v µm) [1]. Enorodovna vlakna: - standardna enorodovna vlakna (namenjena optičnim komunikacijam pri valovnih dolžinah 1300 nm in 1550 nm) - posebna enorodovna vlakna: enorodovna vlakna z ohranjanjem polarizacije, polarizirajoča enorodovna vlakna, vlakna z dvojnim jedrom itd. Standardni premer enorodovnih vlaken je 9/125 (premer jedra/premer obloge v µm) [1].

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 4 3 TERMO-OPTIČNI KOEFICIENT Spremembi lomnega količnika s temperaturo pri konstantnem tlaku pravimo termo-optični koeficient dn/dt, tj. temperaturna disperzija [7]. Vrednost lomnega količnika optičnih materialov, kot so npr. kristali, polprevodniki in stekla, se pri spremembi temperature spreminja. Sama sprememba dn/dt je zelo majhna in sicer od 10-3 do 10-6 / C. Čeprav je vrednost majhna, jo je mogoče izmeriti z visoko točnostjo. Meritve termo-optičnih koeficientov so pomembne za analizo nelinearnih temperaturno občutljivih optičnih naprav npr. pri optičnih komunicijskih sistemih, polprevodniški tehnologiji in pri hitrih femtosekundnih tehnologijah. Za izračun dn/dt po laserski interferometrski metodi uporabimo enačbo: dn λ = nα dt L T 2 c (3.1) Kjer so: λ valovna dolžina laserja, L c debelina materiala, ΔT sprememba temperature, n lomni količnik in 1 dl α koeficient linearne spremembe dolžine s temperaturo ( α L = ). L dt Sprememba temperature povzroči spremembo gostote tekočine, zato lahko sklepamo, da se bo spremenil tudi lomni količnik saj je slednji odvisen od gostote tekočine. Sklepamo lahko tudi, da povišanje temperature zmanjša gostoto tekočine, kar ima za posledico zmanjšanje lomnega količnika. Vendar pa ne obstaja linearna povezava med lomnim količnikom in spremembo temperature. Lomni količnik je določen z: n = εµ r r (3.2)

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 5 Kjer sta: ε r relativna dielektričnost in μ r relativna magnetna permeabilnost. Obe količini se spreminjata s temperaturo, ampak ne linearno, zatorej lomni količnik nima enostavne odvisnosti od temperature [7]. Vpliv temperature pri spremembi lomnega količnika pri trdnih snoveh: vsi materiali ob spremembi temperature spremenijo svojo velikost (velja pri konstantnem tlaku). Tipičnim trdnim snovem vrednost α varira v zelo ozkem območju znotraj temperaturnega področja za katerega so bili dizajnirani. V primeru, ko velika točnost ni potrebna, je mogoče za izračune uporabiti povprečno vrednost parametra α. V primerjavi s tekočinami imajo trdne snovi manjše vrednosti parametra α: α tekočine = 10-3/K, α trdnih_snovi = 10-5/K 3.1 VPLIV SPREMEMBE VREDNOSTI LOMNEGA KOLIČNIKA OBLOGE NA ŠTEVILO RODOV V MNOGORODOVNEM OPTIČNEM VLAKNU Pri oceni števila rodov m v mnogorodovnem optičnem vlaknu s stopničnim lomnim likom uporabimo število V, ki ga imenujemo normirana frekvenca in je določena z enačbo [1]: 2π a 2 2 V = n1 n2 (3.3) λ Kjer so: a polmer jedra, λ valovna dolžina optičnega vira, n 1 lomni količnik jedra in n 2 lomni količnik obloge.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 6 Število rodov m, je podano z: 2 V m (3.4) 2 Vsak rod ima svojo vrednost lomnega količnika, ki mu pravimo efektivni lomni količnik n eff. Glavni rod ima vrednost n eff01 približno enako lomnemu količniku jedra optičnega vlakna n 1. Vsak naslednji višji rod pa ima vrednost n eff nižjo od predhodnika n eff02 < n eff01. S spreminjanjem vrednosti lomnega količnika obloge n 2 dosežemo spremembo normirane frekvence V. Efektivni lomni količnik je odvisen od spremembe normirane frekvence. Z zniževanjem normirane frekvence (zaradi povečanja lomnega količnika obloge) pride do večjih izgub višjih rodov. Njihova energija eksponentno pada saj se razteza v oblogo, katera ima vrednost lomnega količnika podobno njihovim efektivnim vrednostim lomnega količnika. Takšni rodovi ne izpolnjujejo pogojev za popolni odboj in jim pravimo nevodeni rodovi. Ostalim nižjim rodovom čigar vrednost efektivnega lomnega količnika je večja od lomnega količnika obloge pa izpolnjujejo pogoje za popolni odboj in jim pravimo vodeni rodovi. Na ta način lahko s spremembo vrednosti lomnega količnika vplivamo na razmerje med vodenimi in nevodenimi rodovi in s tem na spremembo optične moči [1]. 4 OPTIČNI VLAKENSKI SENZORJI V zadnjih 25-ih letih smo priča revolucije na področju opto-elektronike. Svoje najboljše lastnosti kaže v optičnih komunikacijah kakor tudi na tržišču masovne porabe kot so npr. CD predvajalniki, laserski tiskalniki, čitalniki črtne kode in laserski kazalniki. Na področju optičnih komunikacij smo priča izboljšavam kot so višje hitrosti prenosov podatkov, večja zanesljivost delovanja kakor tudi nižji stroški prenosa podatkov [5]. Vzporedno s tem napredkom je prav tako napredoval razvoj optičnih senzorjev. Kakor hitro so padale cene optičnih komponent, je bila večja možnost za razvoj in izdelavo optičnih senzorjev za množično uporabo. Tako da danes že imamo senzorje, ki nadomeščajo»klasične«senzorje. To so senzorji za merjenje zasuka, translacije, pospeška elekričnega in magnetnega polja, temperature, tlaka, zvoka, vibracij, natega, vlage,

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 7 viskoznosti, kemičnih meritev, itd. Pred»klasičnimi«senzorji imajo optični senzorji nekatere zelo pomembne prednosti [2, 3]: električna pasivnost, majhna masa, majhne dimenzije, imunost na elektromagnetne motnje, visoka temperaturna vzdržljivost, velika pasovna širina, odpornost na zunanje motnje v obliki vibracij, zelo visoka občutljivost, možnost vgradnje v kompozitne materiale, možnost povezovanja v porazdeljene in kvazi porazdeljene mreže in možnost merjenja na velikih razdaljah od kontrolne lokacije. Z optičnimi senzorji zaznavamo spremembe na principu merjenja intenzitete svetlobe, valovne dolžine, faze ali polarizacije. V grobem delimo optične senzorje na dva principa, kako z njimi zaznavamo spremembe [2, 3]: senzorji z zunanjim učinkom Vhodno vlakno Modulator svetlobe Izhodno vlakno Sprememba iz okolja Slika 3: Senzor z zunanjim učinkom Sprememba iz okolja deluje na»črno škatlo«(slika 3), katera modulira optični signal zaradi zunanje spremembe. Primeri takšnih senzorjev so: vlakenski Dopplerski anemometri, brez kontaktni vibrometri, Fabry Perot interferometri za merjenje tlaka, itd.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 8 senzorji z notranjim učinkom Optično vlakno Sprememba iz okolja Slika 4: Senzor z notranjim učinkom Sprememba iz okolja ali sprememba dolžine optičnega vlakna deluje direktno na optični signal (Slika 4), ki potuje po vlaknu in ga modulira. Primeri takšnih senzorjev so: senzorji s spremenljivo zračno režo, senzorji na osnovi mikroukrivljenosti ter makroukrivljenosti in senzorji na osnovi Barggove rešetke. Načina modulacije signala sta dva: Modulacija svetlobnega toka, kjer merjen parameter povzroči spremembo gostote svetlobnega toka (najpogosteje spremembo v slabljenju), ki jo zaznamo z detektorjem. V nekaterih primerih deluje vhodno vlakno kot izhodno vlakno. Ta princip modulacije dostikrat srečamo pri senzorjih z notranjim učinkom (Slika 4). Fazna modulacija, kjer sprememba v dolžini ali v lomnem količniku (npr. zaradi spremembe temperature ali raztezka) povzroči spremembo faze (Slika 5). Na slednjem principu delujejo optični vlakenski interferometri.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 9 0 L Φ 0 Jedro n 1 0 Φ L Φ 0 Φ Slika 5: Fazna modulacija 5 POLIMERI Polimerni materiali so organske snovi zgrajene iz velikih molekul - makromolekul z molekulsko maso od 10.000 g/mol do več kot 1.000.000 g/mol. Slednje vrste naravnih materialov je človek uporabljal že v starih časih v obliki tekstila, lesa in usnja. Danes je že večina polimernih materialov, ki jih uporabljamo, sintetično pridobljenih [9]. Po izvoru razlikujemo naravne in sintetične polimere: Naravni polimeri: celuloza in škrob sta zgrajena iz glukoze, proteini pa iz aminokislin. Kavčuk je naravni polimer, ki se uporablja za izdelavo gume. Sintetični polimeri so sintetizirani iz enega ali več monomerov (homopolimeri in kopolimeri) 5.1 ZGRADBA POLIMEROV Makromolekule nastanejo z združevanjem majhnih molekul, ki jim pravimo monomeri. Monomeri se povežejo med seboj v različno dolge verige, v katerih je monomer ponavljajoča se enota (Slika 6).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 10 Slika 6: Združevanje monomerov Oblike polimernih molekul [9]: Linearni polimeri so po obliki nerazvejane verige. Obnašajo se elastično in termoplastično. Linearne molekule se lahko uredijo v kristalinične strukture. Razvejani polimeri se obnašajo termoplastično (Slika 7) Premreženi polimeri se obnašajo duroplastično Slika 7: Linearni polimeri, razvejani polimeri in premreženi polimeri Polimere sintetiziramo na dva načina: z adicijsko polimerizacijo in s polikondenzacijo [8]. Adicijska polimerizacija je združevanje monomerov v polimer brez stranskih produktov. Na tak način reagirajo monomeri, ki vsebujejo dvojno vez (vinilni monomeri). Kondenzacijska polimerizacija ali polikondenzacija poteka tako, da reagirajo monomeri s funkcionalnimi skupinami (alkoholi, amini, kisline). Nastanejo polimerne molekule, pri čemer se izloči stranski product, ki je v večini primerov voda.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 11 5.2 DELITEV POLIMEROV Glede na obnašanje pri povišani temperaturi delimo polimere na termoplaste in duroplaste [9]. Termoplasti se pri povišani temperaturi zmehčajo in jih v tem stanju lahko oblikujemo. Pri ohlajanju zopet otrdijo. Duroplasti se pri segrevanju ne mehčajo, zato jih ne moremo termično oblikovati. Elastomeri so prožni in se elastično deformirajo. Termično jih ne moremo oblikovati. 5.2.1 Kopolimeri Glede na število različnih monomerov, ki so vezani v molekuli polimera razlikujemo homopolimere in kopolimere [8]. Homopolimeri vsebujejo le eno ponavljajočo se enoto (monomer) (Slika 8):...-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-... Slika 8: Homopolimer Kopolimeri vsebujejo dva ali več monomerov, ki se vežeta na več različnih načinov: Naključni kopolimeri: monomeri so naključno razporejeni v verigi (Slika 9):...-A-B-A-A-B-A-B-B-B-A-...

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 12 Slika 9: Naključni kopolimer Alternirajoči kopolimeri: monomeri se izmenjujejo v pravilnem zaporedju...-a-b-a-b-a-b-a-b-a-b-... Blok kopolimeri: v polimernih molekulah so različno velika področja (bloki), sestavljeni iz ene vrste monomera (Slika 10)...A-A-A-A-A-B-B-B-A-A-A-B-B-B-B-B-... Slika 10: Blok kopolimer Cepljeni kopolimer: verige iz ene vrste monomera so cepljene (graftirane) na verigo iz druge vrste monomerov (Slika 11) Slika 11: Cepljeni kopolimer

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 13 5.3 LASTNOSTI POLIMEROV Prozornost, transparentnost, obarvanost: Materialu lahko spreminjamo lastnosti s spreminjanjem strukture polimera in z vgrajevanjem posebnih dodatkov. Popolnoma prozorni so lahko: PMMA, PS, PVC, PET. Obarvanost dosežemo z vgrajevanjem barvil in pigmentov[9]. Obnašanje pri povišani temperaturi: Termoplasti se pri višji temperaturi zmehčajo in končno stalijo. Pri ohlajanju zavzamejo obliko kalupa in ohranijo prvotne lastnosti. Zmehčišče je temperatura, pri kateri začnejo termoplasti spreminjati obliko, zato je ta temperatura tudi meja obstojnosti izdelkov (Slika 12). Amorfni polimeri imajo tranzicijsko temperaturo - T g (tranzicija iz gumastega v steklasto stanje; ang.»glass temperature«). Na zmehčišče lahko vplivamo s kemijsko strukturo in z dodatki polnili [9]. Q Kristalični polimer Q Amorfni polimer Tranzicijska temperatura Tališče T T Slika 12: Območje tališča kristaličnega polimera in tranzicijska temperatura amorfnega polimera Duroplasti nimajo zmehčišča, pri povišani temperaturi se začnejo kemijsko razkrajati, pri čemer izhajajo plini. Zato duroplastov ne moremo predelovati s termičnimi postopki, pač pa jih pripravimo v obliki smol, ki potem skupaj s polnili in vezivi spolimerizirajo v kalupu. Duroplasti imajo večinoma boljše lastnosti, vendar so dražji [9].

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 14 Elaste predelujemo podobno kot duroplaste, v nekaterih primerih pa podobno kot termoplaste [9]. Toplotna prevodnost: Polimeri so dobri toplotni izolatorji. Če jih pripravimo tako, da vgradimo 98 prostorninskih procentov zraka ali drugih plinov v strukturo, dobimo različne pene (stiropor, trda in mehka poliuretanska pena). Takšni materiali so najboljši toplotni izolatorji. Kemijska odpornost: Polimeri so večinoma odporni proti kislinam in bazam. Nekateri so manj odporni proti oksidantom. Najbolj so občutljivi pri stiku z organskimi topili. Od cenenih polimerov je najbolj odporen polieten, najmanj pa polistiren. Dodatki v polimerih: Polimer dobi končne uporabne lastnosti šele z vgraditvijo dodatkov kot so polnila, mehčala (plastifikatorji), maziva (lubrikanti), stabilizatorji, pigmenti in antistatiki. 5.4 MEŠANJE POLIMEROV Polimera mešamo med seboj ko želimo, da ima novonastali material lastnosti obeh polimerov. S tem lahko spreminjamo T g, mehanske lastnosti, optične lastnosti, odpornost na kemikalije, sevanje in termične lastnosti. Izdelovanje (homogenih) mešanic med dvema polimeroma predstavlja problem. Eden izmed glavnih vzrokov je entropija 1 in je z roko v roki z drugim zakonom termodinamike, ki izjavlja, da energijski sistemi težijo k povečevanju svoje entropije in ne k njenem zmanjševanju. Predstavljajmo si amorfen 2 polimer z dolgimi, med sabo prepletenimi verigami. Slednji ima sam po sebi visoko entropijo. Omenjena težava se izkaže za bistveno ko želimo narediti mešanico polimerov. Med mešanjem dveh materialov namreč želimo, da njuna entropija naraste tako, da je mnogo večja kot je pred mešanjem. Slednja namreč omogoča dobro mešanje. Amorfni polimeri pa imajo prav to težavo, da imajo že v začetku, 1 Entropija je merilo za neurejenost sistema 2 Amorfija neurejenost atomov v prostoru

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 15 pred mešanjem, visoko entropijo zato slednja ne narase dovolj med procesom mešanja kar onemogoča kvalitetno mešanje [8]. Vseeno pa obstaja način kako lahko nekatere polimere uspešno zmešamo brez doseganja visoke entropije. Pri tem načinu se ravnamo po prvem zakonu termodinamike ki izjavlja, da se energija ne more tvoriti ali uničiti ali, količina energije, ki se v ravnovesni spremembi izgubi, ne more biti večja kot pridobljena energija. To pomeni, da če želimo narediti mešanico polimerov, moramo zmanjšati energijo polimerov med mešanjem, kot jo imata pred mešanjem. Slednje lahko naredimo z naslednjimi mešanicami polimerov, ki imajo aromatične obroče [8]: Polistiren (PS) in Polifenil oksid (PPO) Polietilen tereftalat in Polibutilen tereftalat (oba sodita med poliestre) Polimetilmetakrilat (PMMA) in Polivinilidenfluorid (PVDF) Nekatere polimere kot so polikarbonati (PC), Polivinil acetat, Polistiren lahko zmešamo s pomočjo kopolimerov. Kopolimer v mešanici poskrbi, da se nanj vežeta segmenta polimerov (bodisi polarna ali nepolarna), ki se drugače med sabo ne bi povezala. Kot kopolimer se največkrat uporablja PMMA [8]. 5.5 TEHNIČNO POMEMBNI POLIMERI Tehnično pomembni polimeri so tisti, ki jih uporabljamo za izdelavo končnih izdelkov, dodatkom drugim materialom za spreminjanje lastnosti kot so: plastičnost, elastičnost, žilavost, temperaturna obstojnost, odpornost proti kemijskim vplivom, itd [10]. Slednji polimeri so: polietilen, polipropilen (PP), Polivinilklorid (PVC), Polistiren (PS), poliestri, umetna vlakna kot je npr. PMMA, fluoroplasti, poliamidi, polikarbonati (PC), ionomeri, umetne smole, poliuretani in aminoplasti. PMMA (polimetilmetakrilat) je prozoren, trd, odporen proti staranju, proti padavinam in kemikalijam, temperaturno obstojen (od -60 C do + 80 C) material. Uporablja se kot organsko steklo, ki je 60-krat prožnejše od silikatnega in prepušča UV žarke, zato je uporabno za leče za očala, ki so lažje od steklenih, za optične aparate, za varnostna stekla (za letala, avtomobile, žaromete, smerokaze), svetlobne armature, strešne

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 16 kupole, zasteklitve streh, kabine za tuširanje, svetleče prometne znake in svetlobne reklame, plastična optična vlakna. Polikarbonati (PC) so poliestri karbonskih kislin in so novejši polimerni materiali. Njihova poraba narašča, saj združujejo dobre lastnosti kovin, stekla in polimerov. So zelo elastični, imajo visoko trdnost in dobro temperaturno obstojnost (do 150 C). Uporabljamo jih za neprebojne šipe, za zasteklitve, predelne stene, rastlinjake, ohišja računalnikov, kompaktne diske, ohišja daljnogledov, kamer, otroških stekleničk, telefonov, čelad, itd. 5.6 POSTOPKI IZDELAVE POLIMEROV Termoplastične polimere predelujemo s termičnimi postopki. Polimerna masa se ogreje do zmehčišča ali tališča (200 C do 250 C). V tem stanju jo zlahka oblikujemo s pomočjo posebnih orodij ali kalupov. Po ohladitvi material zadrži obliko. Duroplastične polimere pripravimo v obliki smol ali testastih mas, katerim dodamo polnila, ojačitve in druge dodatke. Polimerizacija poteka v kalupu. Naknadan obdelava površine ni potrebna. Elastomerne materiale oblikujemo podobno kot duroplaste. Polimerizaciji v kalupu se v tem primeru imenuje vulkanizacija [9]. Industrijski procesi za izdelavo polimerov so: vbrizgavanje-injekcijsko stiskanje, ekstrudiranje, pihanje, kalandriranje in termoformiranje.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 17 6 ZASNOVA MERILNEGA SISTEMA Zaradi specifičnega okolja uporabe tj. vpliv mikrovalov, smo izdelali optični vlakenski senzor. Zatorej smo morali upoštevati, da nismo uporabili nikakršnih kovinskih materialov neposredno v prostoru kjer je bil vpliv mikrovalov največji tj. v ogrevalnem prostoru mikrovalovne pečice. Pri izdelavi senzorja (kakor tudi celotnega sistema) smo morali upoštevati faktorje cene, enostavnosti izdelave, enostavnosti uporabe in naposled netoksičnosti uporabljenih materialov pri izdelavi senzorja. Elektronsko vezje, katerega smo uporabili za pretvorbo in obdelavo optičnega signala, za regulacijo temperature in za krmiljenje mikrovalovne pečice je bila zgrajeno iz dostopnih elektronskih komponent na tržišču (Slika 13). LED Optični delilnik Senzor Detektor Detektor FILTRIRANJE IN OJAČANJE SIGNALOV PRETVORBA V DIGITALNO OBLIKO + MIKROKRMILNIK KOMUNIKACIJA ČLOVEK - NAPRAVA (LCD ZASLON + TIPKE) Slika 13: Shema merilnega sistema

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 18 6.1 ZASNOVA SENZORJA Zasnovali smo senzor, ki se za delovanje zanaša na širjenje svetlobnega vala skozi vlakno ki je neposredno moduliran s strani okoljskih vplivov. Po optičnem vlaknu tako potuje nazaj, zaradi okoljskih vplivov modulirana svetloba, do optičnega detektorja ter elektronskega vezja. Pri takšnih senzorjih se za spremembo optičnega signala uporabljajo kemične lastnosti jedra, obloge kot so na primer sprememba lomnega količnika, absorpcija skozi stene jedra ali polarizacija. Takšen senzor mora predvidljivo spreminjati gostoto svetlobnega toka. To se lahko doseže na več načinov. Najbolj enostavna načina sta transmisija in refleksija. V našem primeru smo zasnovali senzor, ki uporablja za spremembo optičnega signala termo-optične lastnosti obloge. Uporabili smo kombinacijo mnogorodovnega optičnega vlakna in brezjedrnega optičnega vlakna. Lomna količnika jeder obeh vlaken sta bila enaka. Za brezjedrno optično vlakno smo pripravili ustrezno oblogo. Poglavitna lastnost pripravljene obloge je bila sprememba vrednosti lomnega količnika slednje s spreminjanjem temperature. Na koncu senzorja smo namestili strukturo, katera je povečala odboj svetlobe (Slika 14). Mnogorodovno vlakno n 2 n 1 Jedro Temperaturno občutljiva obloga - n n n 1 Struktura za odboj svetlobe Obloga Brezjedrno vlakno Slika 14: Zasnova senzorja S spreminjanjem vrednosti lomnega količnika temperaturno občutljive, prihaja do spremembe razmerja med vodenimi in nevodenimi rodovi tj. čim višji je lomni količnik, tem manj je vodenih rodov in obratno.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 19 Temperaturno občutljiva snov mora imeti čim večjo spremembo termo-optičnega koeficiena dn/dt (Slika 15). Vrednost lomnega količnika temperaturno občutljive snovi mora imeti takšno vrednost n opt kjer je učinek dn/dt največji. Optična moč Optimalna vrednost lomnega količnika - n opt Slika 15: Optimalna vrednost lomnega količnika Lomni količnik n 6.2 ZASNOVA OPTO-ELEKTRONSKEGA DELA Zasnova celotnega merilnega sistema je enostavna. Uporabili smo le en standardni mnogorodovni optični delilnik, svetlečo diodo kot nizkokoherenčni optični vir. Prav tako smo uporabili standardna mnogorodovna telekomunikacijska optična vlakna z dimenzijami 62,5 µm / 125 µm (premer jedra / premer obloge). Uporabili smo mikrokrmilnik kateri je imel dovolj kvaliteten A/D pretvornik, kar je eliminiralo potrebo po dodatnem zunanjem A/D pretvorniku. Slednji krmilnik nam je prav tako zadostoval za vse potrebne naloge obdelovanja signalov, računanja parametrov, regulacije in želenih nastavitev parametrov s strani končnega uporabnika.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 20 7 OPTIČNI SKLOP V tem delu bomo opisali uporabljene optične komponente, materiale uporabljene za izdelavo temperaturno občutljive obloge. Pravtako bomo tudi opisali postopek izdelave optičnega senzorja. 7.1 Optična vlakna V zasnovi celotnega optičnega sistema smo kot dovodno optično vlakno uporabili standardno mnogorodovno telekomunikacijsko vlakno s premerom jedra 62,5 µm in premerom obloge 125 µm. Za izdelavo senzorskega dela vlakna smo uporabili optično vlakno Optran WF 105/125 A z lastnostmi (Tabela 1): Tabela 1: Lastnosti optičnega vlakna Optran WF 105/125 A Optran WF 105/125 A Material - JEDRO Material - OBLOGA Kremen Fluoriniran kremen Lomni količnik jedra 1,54 Numerična odprtost 0,22 Profil lomnega količnika Gradientni Premer jedra 105 µm Premer obloge 125 µm

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 21 Pravtako smo pri izdelavi še uporabili brezjedrno vlakno (Tabela 2): Tabela 2: Lastnosti brezjedrnega optičnega vlakna Brezjedrno vlakno Material JEDRO / OBLOGA Kremen Lomni količnik jedra 1,54 Profil lomnega količnika Stopnični Premer jedra/obloge 125 µm Optran WF 105/125 A je mnogorodovno stekleno optično vlakno. Značilnost brezjedrnega optičnega vlakna pa je ta, da sta tako jedro kakor obloga iz enakega materiala SiO 2 in zato imata enak lomni količnik. 7.2 Optični delilnik Optični delilnik je komponenta, ki omogoča prenos optične moči iz enega optičnega vlakna v drugo optično vlakno. Koncept delovanja optičnega delilnika temelji na izmenjavi energije med dielektričnimi valovodi preko evanescentnega polja. Ko sta jedri vlaken dovolj blizu ena drugi, seže evanescentno polje prvega jedra vlakna v jedro drugega vlakna tj. vzbudi polje drugega vlakna. Energija iz roda v prvem jedru se prenese v drugo jedro (Slika 16) [1].

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 22 Jedro 1 Območje sklapanja E 1 Reža Jedro 2 Sklopna dolžina E 2 Slika 16: Princip delovanja vlakenskega delilnika V grobem poznamo tri kategorije optičnih delilnikov: X delilniki (dva vhoda, dva izhoda), Y delilniki (en vhod, dva izhoda) in Zvezda delilniki (n vhodov, n izhodov) Pravtako poznamo dve kategoriji optičnih delilnikov glede na tip optičnega vlakna: enorodovni delilniki in mnogorodovni delilniki Pri optičnem delilniku je pomemben podatek o delilnem razmerju, katero nam pove kako se razdeli vhodna moč na izhode. Po navadi se uporabljajo delilniki z razmerjem 50:50. Je pa možno doseči skoraj poljubno delilno razmerje med 1:99 in 99:1 [1]. Za našo aplikacijo smo uporabili optični delilnik s sledečimi lastnostmi (Slika 17):

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 23 Slika 17: Podatki optičnega delilnika Iz podatkovnega lista razberemo naslednje lastnosti optičnega delilnika: mnogorodovni optični delilnik, dva vhoda in dva izhoda, premer jedra/obloge je 62,5 µm / 125 µm, delilno razmerje 50:50 in izgube < 4,8 db.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 24 7.3 Izdelava senzorja V naslednjih podpoglavjih bomo razložili korake, po katerih smo izdelali optični senzor. 7.3.1 Osnovna struktura senzorja Cilj je bil izdelati karseda enostavno strukturo. Zamislili smo si sledečo strukturo (Slika 18): Optran WF 105/125 A Zvar Posrebren konec vlakna Jedro Obloga Brezjedrno vlakno dimenzije 125 µm pojedkano na 105 µm Slika 18: Osnovna izvedba senzorja Naše osnovno senzorsko vlakno je bilo Optran WF105/125 A. Na vlakno Optran smo privarili pojedkano brezjedrno vlakno. Slednje vlakno smo pojedkali iz 125 µm na 105 µm. Na ta način sta se med varjenjem zlili jedri Optran vlakna 105 µm s pojedkanim 105 µm brezjedrnim vlaknom. Tako je bilo vlakno pripravljeno na nanos temperaturno občutljive snovi na slednji del (Slika 19). Optran WF 105/125 A Temperaturno občutljiv polimer Posrebren konec vlakna Jedro Obloga Brezjedrno vlakno dimenzije 125 µm pojedkano na 105 µm Slika 19: Optično vlakno z naneseno temperaturno občutljivo oblogo

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 25 Za potrditev koncepta smo se odločili, da bomo konec vlakna posrebrili. S tem smo povečali odboj, ki na meji vlakno zrak znaša 3,6 %. Z nanesenim slojem srebra smo odboj povečali na 60 %. Srebro smo nanesli po kemijskem postopku tako, da smo zmešali naslednje spojine: A. 1 dl H 2 O 3 g AgNO 3 B. 0,25 dl NH 3 0,75 dl H 2 O 4 g KOH C. 1 dl H 2 O 15 g glukoze Spojine A, B in C smo dozirali v razmerju 1:1:1 v epruveto. Pri sobni temperaturi je stekla kemična reakcija, pri kateri se je srebro izločilo na stene epruvete, kakor tudi na konec optičnega vlakna. Reakcija je trajala približno 15 minut. Po potrditvi delovanja samega senzorja smo nato izdelali končno izvedbo senzorja brez posrebrenega konca, kar pa bomo razložili kasneje. 7.3.2 Jedkanje steklenih optičnih vlaken (SiO 2 ) v fluorovodikovi kislini 7.3.2.1 Lastnosti HF kisline Fluorovodikova kislina (HF kislina) se uporablja v elektronski, kemični, steklarski, kovinski, avtomobilski in naftni industriji za jedkanje, brušenje in poliranje stekla, keramike, itd. HF kislina je ena najnevarnejših anorganskih kislin (HF, CAS 7664-39-3). Je brezbarvna in hlapljiva tekočina z močnim dražečim vonjem. Kemično HF kislino uvrščamo med šibke kisline (pka= 3.2), vendar lahko kljub temu ob stiku s kožo in očmi povzroči hudo zastrupitev. Ob politju s HF kislino se lahko zastrupimo tudi z vdihavanjem njenih hlapov, saj ima vrelišče pri 19.5 C [44].

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 26 Sinteza HF kisline poteka po naslednji kemijski formuli: CaF + H SO 2HF + CaSO 2 2 4 4 (7.1) Sama kislina se potem pridobi z destilacijo. HF kislina ima zaradi sinergističnega delovanja vodikovih (H + ) in fluoridnih ionov (F - ) dvojno delovanje: jedko in toksično. H + ob stiku s kožo ali očmi delujejo jedko in povzročijo kemično poškodbo povrhnjice kože in roženice zrkla ter s tem omogočijo prodor F - v tkiva. V tkivih F - neposredno zavirajo celične encime in vežejo kalcijeve (Ca 2+ ) in magnezijeve (Mg 2+ ) ione ter s tem še dodatno posredno vplivajo na presnovne procese in uničujejo celice in tkiva. HF v tkivu povzroči likvifikacijsko nekrozo, kar ji omogoča globlji prodor v tkiva in posledično obsežnejšo lokalno kemično poškodbo in sistemsko toksičnost [44]. Sistemska toksičnost HF kisline je odvisna zlasti od obsega prodora F - v tkiva, kar sovpada s koncentracijo pripravka HF kisline in s površino politega telesa ter tudi časom stika. Kemične poškodbe ob politjih s HF kislino lahko preprečimo z osebnimi zaščitnimi sredstvi in s takojšnjo dekontaminacijo, ker se prodiranje HF skozi povrhnjico kože in roženico zrkel začne že v prvi minuti po politju. Prva pomoč z izpiranjem z vodo in mazanjem s kalcijevimi pripravki je nepredvidljiva in ima nekaj omejitev, medtem ko je pravočasno izpiranje oči in kože s heksafluorinom zelo učinkovito in lahko popolnoma prepreči nastanek kemične poškodbe in sistemske zastrupitve [44]. 7.3.2.2 Uporaba HF kisline za jedkanje steklenih optičnih vlaken S HF kislino lahko steklenim optičnim vlaknom odstranjujemo oblogo. S selektivnim jedkanjem je možno izdelati razne mikrostrukture (votline, konice, mikroleče) na koncu optičnega vlakna. Mi smo želeli zmanjšati premer brezjedrnega vlakna iz 125 µm na 105 µm. S tem smo dosegli fuzijo jeder pri varjenju mnogorodovnega vlakna in brezjedrnega vlakna. V laboratoriju uporabljamo za jedkanje steklenih optičnih vlaken HF kislino s koncentracijo 40%. Z dodajanjem H 2 SO 4 ali NH 4 F kislin v HF nastanejo pufri. S slednjimi dosežemo selektivno jedkanje, ko so vlakna dopirana z GeO 2. V primeru, ko kislini HF

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 27 primešamo NH 4 F, se območja s čistim SiO 2 jedkajo hitreje kakor območja dopirana z GeO 2. V našem primeru smo za jedkanje vlakna iz čistega SiO 2 uporabili HF kislino s koncentracijo 40%. Naslednji korak je bil ugotoviti ustrezen čas jedkanja. Z jedkanjem smo se morali čim bolj približati premeru 105 µm, kar pomeni, da smo morali pojedkati 10 µm. Hitrost jedkanja smo ugotovili izkustveno, tj. več kosov enakega vlakna smo istočasno pričeli jedkati, nakar smo posamezne kose vlaken odstranjevali iz kisline v minutnih intervalih. Pomemben faktor pri hitrosti jedkanja je bila tudi temperatura v prostoru. Po opravljenem poizkusu smo ugotovili, da je hitrost jedkanja vlakna po celotnem premeru 2µm/min (Slika 20). Poskus je bil opravljen pri temperaturi prostora 23 C. 1µm 1µm Slika 20: Jedkanje vlakna 2 µm/min po celotnem premeru Pri danih pogojih smo morali jedkati 5 minut, da smo optično vlakno pojedkali na premer 105 µm. Dvig temperature v prostoru je skrajševal čas jedkanja. 7.3.3 Temperaturno občutljiva obloga Kot smo napisali v zasnovi (poglavje 6.1), je bilo potrebno pri načrtovanju temperaturno občutljive obloge paziti, da»zadenemo«pravilno vrednost lomnega količnika, kateri bo potem imel čim večjo spremembo vrednosti (bodisi pozitivne ali negativne) pri spremembi temperature. Vrednost lomnega količnika obloge naj bi se torej približala vrednosti lomnega količnika jedra optičnega vlakna tedaj se nahajamo v točki n opt (Slika 15). V našem primeru je to bilo brezjedrno vlakno, katero je narejeno iz čistega SiO 2 kar pomeni, da smo morali

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 28 poiskati vrednost lomnega količnika za slednji material. Zavedati se tudi moramo, da je vrednost lomnega količnika odvisna tudi od valovne dolžine svetlobe, katero vodimo po optičnem vlaknu. Naš optični vir (svetleča dioda) je oddajala rdečo svetlobo katera je imela vrh pri 633 nm. Tabela 3: Vrednost SiO 2 lomnega količnika v odvisnosti od valovne dolžine Valovna dolžina (nm) Lomni količnik - RI 550 1,46008 590 1,45864 600 1,45804 650 1,45653 700 1,45529 Iz tabele 3 je razvidno, da bo naša obloga morala imeti vrednost lomnega količnika med n=1,45804 in n=1,45653. Za potrditev domnev smo uporabili namensko tekočino Cargille s točno določenim lomnim količnikom. Na ta način smo preverili odziv sistema oziroma primernost izbrane tekočine za senzorski segment. V raziskavi smo uporabili tekočine z lomnimi količniki: n = 1,45, n = 1,46 in n = 1,47 Na sliki 21 so prikazani rezultati meritev za tekočino z omenjenimi lomnimi količniki v temperaturnem območju od 25 C do 100 C:

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 29 1 0,9 0,8 Normirana optična moč 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 n=1,45 n=1,46 n=1,47 0,2 0,1 0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Temperatura - C Slika 21: Temperaturna odvisnost Cargille tekočin Iz slike 21 lahko vidimo, katera tekočina je imela najboljšo temperaturno odvisnost v kombinaciji z izdelanim senzorjem. S tekočino Cargille z lomnim količnikom 1,46 smo dobili najboljši odziv, čeprav je njen dejanski lomni količnik zaradi valovne dolžine optičnega vira (633 nm) bil nekoliko nižji in sicer n = 1,4576. Kot lahko razberemo iz gornjega grafa, je tudi potrebno natančno izbrati lomni količnik, saj lahko le na ta način dobimo optimalni odziv senzorja. V primeru, če je lomni količnik prenizek je izmerjena optična moč velika oziroma obratno, kar pomeni da nimamo optimalnega odziva našega senzorja. Pri izbiri materialov za izdelavo temperaturno občutljive obloge smo se orientirali na polimere, kateri se danes že uporabljajo za izdelavo optičnih vlaken (POV) ali oblog (PCS). Običajno se za izdelavo plastičnih optičnih vlaken uporabljata PMMA za jedro in fluorinirani polimeri (nižji lomni količnik) za oblogo. Prednost polimerov je tudi cenovna dostopnost, dobavljivost in možnost raztapljanja večine v organskih topilih [9]. Pregledali smo številne polimere in si izbrali najbolj primerne tj. tiste ki imajo lomni količnik v rangu od 1,4200 do 1,5894 (Tabela 4):

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 30 Tabela 4: Polimeri in njihove vrednosti lomnih količnikov Polimer Lomni količnik RI Polivinilidenfluorid (PVDF) 1,4200 Polimetilmetakrilat (PMMA) 1,4893 Polipropilen (PP) 1,4900 Nylon 6 1,5300 Polivinilklorid (PVC) 1,5390 Polyethylene terephthalate 1,5750 Polikarbonat (PC) 1,5860 Polistiren (PS) 1,5894 Izbira polimerov je temeljila na možnosti medsebojnega mešanja in s tem nastavljanja vrednosti ustreznega lomnega količnika. Pravtako smo bili pozorni na temperaturne lastnosti posameznih polimerov tj. njihovo temperaturo tališča, tranzicijsko temperaturo - T g, kakor tudi na mešanja med slednjimi. Potrebno je bilo zagotoviti čimbolj homogeno mešanico. Kot smo opisali v uvodnih poglavjih je prav združljivost vezanja predstavljala največji izziv. Pomemben faktor pri odločitvi so bili tudi podatki o odvisnosti dn/dt. Ker nismo imeli dostopnih podatkov odvisnosti dn/dt smo o slednjih sklepali preko podatkov o CTE (koeficientu linearnega raztezka) na podlagi Lorentz-Lorenzove enačbe [12]. Izbrali smo naslednje polimere (Tabela 5): Tabela 5: Lastnosti izbranih polimerov Polimer T tališča ( C) T g ( C) RI CTE (e-6/k) dn/dt (x10 4 / C) PVDF 170-35 1,4200 100-140 -1,1 PMMA 160 114 1,4893 50-90 -1,3 PC 155 147 1,5860 66-66 -0,9

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 31 Zmešali smo naslednji kombinaciji polimerov (Slika 22): PMMA + PVDF in PC + PMMA + PVDF. Slika 22: Polimeri, pripravljeni za raztapljanje Z ustreznim razmerjem mešanja polimerov smo dobili polimer z želenim lomnim količnikom. Razmerje smo določili s pomočjo enačb, iz katerih smo predvideli linearno odvisnost lomnega količnika od razmerja polimerov v mešanici [14]: n = n w + n w m poly _1 poly _1 poly _2 poly _2 n = n w + n w + n w m poly _1 poly _1 poly _2 poly _2 poly _3 poly _3 (7.1) Kjer so: n m lomni količnik mešanice, n poly_1 lomni količnik prvega polimera, w poly_1 masno razmerje prvega polimera, n poly_2 lomni količnik drugega polimera, w poly_2 masno razmerje drugega polimera, n poly_3 lomni količnik tretjega polimera in w poly_3 masno razmerje tretjega polimera. Pri kombinaciji polimerov PMMA + PVDF smo za vrednost lomnega količnika n=1,4576 izdelali mešanico v masnem razmerju 65 % PMMA in 35 % PVDF. Pri kombinaciji polimerov PC + PMMA + PVDF smo za enako vrednost lomnega količnika izdelali mešanico v masnem razmerju 18 % PMMA, 24 % PC in 58 % PVDF. Pri drugi mešanici smo dodali PMMA kot kopolimer [13]. Brez dodatka PMMA je bila mešanica

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 32 nehomogena in ko se je posušila na vlaknu tudi porozna. Pri mešanju PMMA in PVDF teh težav ni bilo (Tabela 6). Tabela 6: Neporozni in porozni nanos polimera na optično vlakno Homogeni neporozen polimer Nehomogeni porozen polimer Nanešeni polimer je moral biti čimbolj homogen, tudi po sušenju saj tedaj niso nastajala področja kjer bi se polimera ločila kot je to vidno na gornji desni sliki. (Tabela 6). Na levi sliki se vidi homogena mešanica (Tabela 6). Sama grobost na površini je posledica ročnega nanosa in ne vpliva na meritve. Prav tako ni vidne poroznosti polimera. Polimere smo topili v dimetilformamidu (DMF) pri temperaturi 140 C z magnetnim mešalom v čimbolj homogeno mešanico dve uri. DMF kot topilo ni vplival na vrednost lomnega količnika, saj je v procesu raztapljanja in nanosa popolnoma izhlapel. Ko je bila mešanica dovolj homogena, se je pričel proces izhlapevanja DMF-a saj je bilo potrebno dobiti dovolj viskozno tekočino, katera se je lahko prijela na tanko optično vlakno. Najboljše razmerje med DMF-om in polimerom je bilo približno 5:1. Nanos je potekal ročno z metodo kapanja polimera na vlakno. Ko je bil sloj polimera dovolj debel, smo ga posušili z vročim zrakom (Slika 23). Na ta način smo pospešili izhlapevanje DMFa in preprečili pokanje polimera.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 33 Slika 23: Vlakno z nanešenim slojem polimera Pri samem načrtu senzorja nas je pravtako zanimalo ali obstaja kakšna odvisnost med dolžino temperaturno občutljive polimerne obloge tj. od dolžine brezjedrnega dela optičnega vlakna - l in spremembe moči pri spremembi temperature (Slika 24). Optran WF 105/125 A l Jedro Obloga Brezjedrno vlakno dimenzije 125 µm pojedkano na 105 µm Slika 24: Sprememba dolžine brezjedrnega dela optičnega vlakna - l Izdelali smo senzorje z različnimi dolžinami brezjedrnega dela vlakna in sicer: 3 mm, 4 mm, 6 mm, 7 mm, 9 mm, 11 mm in 12 mm ter na njih nanesli pripravljeno polimerno mešanico (Slika 25).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 34 Slika 25: Različne dolžine brezjedrnga dela vlakna z nanosom polimera 7.3.3.1 Mešanica polimerov PC + PMMA + PVDF Za preizkus senzorjev smo izdelali poskusni merilni sistem (Slika 26): S en zo r z r a zlič nimi dolžinami brezjedrnega dela optičnega vlakna - l Optični vir 633 nm Optični delilnik Detektor 1 HP 8153A Lightwave Detektor 2 v optičnem gelu Temperaturni kalibrator Slika 26: Shema poskusnega merilnega sistema Med izvajanjem eksperimenta smo merili optični moč iz senzorskega segmenta, ki se je nahajal v temperaturnem kalibratorju. Temperaturno področje, v katerem smo testirali senzor je bilo med -15 C do 120 C po korakih po 5 C. Na detektorju 1 smo merili optično moč iz senzorskega segmenta - v enotah nw. Detektor 2 smo dali v optični gel in s tem izničili povratne odboje svetlobe. Temperatura laboratorija je bila konstantnih 24 C. Za napajanje tokovnega tokovnega vira diode smo uporabili laboratorijski napajalnik (Slika 27).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 35 Slika 27: Merilni sistem v laboratoriju Meritve so pokazale, da obstaja odvisnost med dolžino brezjedrnega vlakna (dolžino temperaturno občutljivega nanosa) in modulacijo svetlobnega toka (Slika 28). 1 0,9 0,8 0,7 Normirana optična moč 0,6 0,5 0,4 3 mm 4 mm 6 mm 7 mm 9 mm 11 mm 12 mm 0,3 0,2 0,1 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Temperatura - C Slika 28: Vpliv dolžine brezjedrnega vlakna na modulacijo svetlobnega toka

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 36 Na sliki 28 so vidne spremembe optične moči s temperaturo. Največja modulacija svetlobnega toka je bila pri dolžini brezjedrnega dela vlakna 6 mm, najmanjša pa pri dolžini 3 mm. Iz tega smo sklepali, da izdelovanje še krajših senzorjev ne bi imelo smisla. Naslednja največja modulacija svetlobnega toka se je pojavila pri dolžinah brezjedrnega dela vlaken 11 mm in 12 mm. Za potrditev koncepta smo uporabili dolžino brezjedrnega dela vlakna 6 mm (Slika 29). Slednja se je najboljše obnesla pri nanosu polimera, saj je bil pri tej dolžini nanos enakomernejši, kot pri uporabi daljših delov brezjedrnega vlakna, npr. 12 mm. 1 0,9 0,8 Normirana optična moč 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Dvig T Spust T 0,2 0,1 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 Temperatura - C Slika 29: Vlakno z nanosom polimera na 6mm dolg kos brezjedrnega vlakna Da bi potrdili ponovljivost, smo naredili več ciklov segrevanja in ohlajanja senzorja. Pri vsakem ciklu so bili rezultati enaki kot na sliki 29. Histereza pri celotnem ciklu je bila majhna. Iz grafa je razvidno, da ima polikarbonat v tej mešanici»rezervo«v maksimalni temperaturi uporabnosti, saj bi senzor po naših ocenah lahko deloval malo pod mejo T g, do 140 C.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 37 7.3.3.2 Mešanica polimerov PMMA + PVDF Pri tem poskusu smo želeli preveriti ali bi za oblogo zadostovala mešanica le iz PMMA in PVDF. V tem primeru ne bi potrebovali kopolimerja, kot smo ga potrebovali pri oblogi z polikarbonatom. V tem primeru smo na podlagi prejšnjih izkušenj izdelali senzor, ki je imel dolžino brezjedrnega vlakna 6 mm. Mešanico polimera smo nanesli po enakem postopku. Uporabili smo enak merilni sistem. Senzor smo testirali v enakem temperaturnem območju tj. med -15 C do 120 C po korakih po 5 C (Slika 30). 1 0,9 Normirana optična moč 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 Temperatura - C 6 mm Slika 30: Nanos PMMA + PVDF na brezjedrno vlakno z dolžino 6mm Kot je razvidno iz slike 30 kljub polimerni oblogi z lomnim količnikom n = 1,4576 je bila sprememba optične moči s temperaturo majhna. Pravtako je bila izmerjena začetna optična moč precej večja kot pri prejšnjih meritvah. Slednje ni bilo mogoče zmanjšati z debelejšim nanosom polimera, spremembo dolžine brezjedrnega dela vlakna, niti z mešanico polimera z višjim lomnim količnikom od n = 1,4576. Slednje spremembe so le še zmanjšale modulacijo svetlobnega toka.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 38 7.3.4 Izdelava senzorja brez posrebrenega konca vlakna Čeprav je srebrni nanos debeline nekaj mikrometrov, je obstajala možnost, da se bo zaradi delovanja mikrovalov segreval in s tem vplival na delovanje samega senzorja. V ta namen smo osnovno strukturo senzorja predelali. Težava, ki je nastala, ko ni bilo nanosa srebra na konici vlakna, je majhen povratni odboj. Brez srebrnega nanosa se na meji steklo/zrak odbije 3,6 % svetlobe. Poiskali smo rešitev, s katero bi povečali povratni odboj brez uporabe kovinskih zrcal (Slika 31). Optran WF 105/125 A Zvar Optran WF 105/125 A Jedro Obloga Brezjedrno vlakno dimenzije 125 µm pojedkano na 105 µm Kapilara 135 µm Ravno odrezana konca vlaken Zliti konec Slika 31: Končna izvedba senzorja Na koncu brezjedrnega vlakna smo izdelali strukturo, s katero smo povečali povratni odboj svetlobe. Hkrati smo morali zaščititi konec vlakna, da pri nanosu podloge ne bi slučajno nanesli polimer tudi na slednjega. Privarili smo kos vlakna Optran WF 105/125 A. Slednje vlakno smo ravno odrezali in na konec privarili kapilaro s premerom 135 µm. V drugi konec kapilare pa smo pravtako vstavili in privarili ravno odrezano Optran WF 105/125 A vlakno. Slednjemu smo konec zalili, tako da smo z notranje strani dobili konkavno obliko (Slika 32).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 39 Optran WF 105/125 A 3,6 % odboja Konkavna struktura F l omax Odboj svetlobe Slika 32: Struktura za povečanje odboja svetlobe S strukturo na sliki 32 smo dosegli povečanje odboja z 3,6 % na 30 %, kar je zadostovalo za praktično izvedbo senzorja. Povečanje odboja smo dosegli tako, da smo približali vlakni na razdaljo l omax in z merilnikom optične moči merili odbito moč. Pri tej razdalji smo izmerili največji stabilni odboj. V primeru, da sta bili vlakni preblizu tj. na krajši razdalji od l omax, je prišlo do interference rodov kar je imelo za posledico skakanja izmerjene moči. Dodatno povečanje moči smo dobili tako, da smo z varilnikom zalili konec vlakna in s tem v notranjosti naredili konkavno strukturo. Slednja je omogočala dodaten odboj žarkov. Tudi pri tem koraku smo opazovali spremembo moči in konec»zalivali«, dokler nismo odčitali največje moči. Dolžino brezjedrnega dela smo vlakna pustili na že preizkušenih 6 mm in na slednje območje nanesli pripravljen polimer PC + PMMA + PVDF z nastavljenim lomnim količnikom n = 1,4576 (Slika 33).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 40 Temperaturno občutljiv polimer Optran WF 105/125 A Optran WF 105/125 A Jedro Obloga l = 6 mm Brezjedrno vlakno dimenzije 125 µm pojedkano na 105 µm Kapilara 135 µm Slika 33: Končna izvedba senzorja z naneseno temperaturno občutljivo oblogo Senzor smo testirali na enakem merilnem sistemu, pri enakih pogojih in po enakem principu kot smo opisali poglavju 7.3.3.1. Dobili smo karakteristiko (Slika 34): 0,7 0,6 0,5 Normirana optična moč 0,4 0,3 Dvig T Spust T 0,2 0,1 0-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Temperatura - C Slika 34: Karakteristika senzorja Kot lahko vidimo iz slike 34 se je karakteristika senzorja drugačna kot je bila na sliki 29. Dinamika in moč sta se zmanjšali. Tem posledicam botruje slabši odboj, saj se več svetlobe izgubi na koncu vlakna. Struktura za povečanje odboja nam je pomagala ampak je slabša, kot če bi uporabili srebrno zrcalo na koncu optičnega vlakna.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 41 Izvedli smo več ciklov segrevanja in ohlajanja in s tem preverili ponovljivost meritve. Pravtako nas je zanimala možna histereza, ki pa je bila zanemarljiva. Naredili smo več enakih senzorjev. Karakteristika slednjih je bila enaka le, da sta začetna moč in končna moč hkrati varirali. Razlogi za to so bili proces izdelave (težko je bilo zagotoviti enako debelino nanosa polimera na brezjedrni del vlakna), različne izgube na zvarih, navsezadnje tudi odstopanja v dolžinah vlakenskih delov v strukturi za povečanje odboja svetlobe. Vse omenjene omejitve smo upoštevali pri načrtovanju elektronskega vezja, kjer smo najprej nastavili večjo občutljivost na fotodiodi, nato pa še naredili nastavitev ojačanja pretvorjenega električnega signala z digitalnim potenciometrom. Slednje rešitve so opisane v naslednjih poglavjih. 8 ELEKTRONSKI SKLOP V tem delu se bomo osredotočili na elektronske komponente, ki so bile uporabljene za realizacijo vezij, ki smo jih uporabili v končnem sistemu. Opisali bomo delovanje bistvenih segmentov kot so napajanje, komunikacija med mikrokrmilnikom in periferijo, opto-elektronski del ter algoritem delovanja in LCD zaslon. 8.1 Napajanje Naš sistem je potreboval vire, ki so dajali napetosti +5 V in +3,3 V. Odločili smo se za uporabo linearnih regulatorjev napetosti ON Semiconductor NCP5667 [31] in TI LM1117 [30]. ON Semiconductor NCP5667 je 5 V linearni stabilizator napetosti, ki je zmožen napajati vezje s tokom do 3 A. Skupaj smo za našo aplikacijo potrebovali do 1,5 A toka. Omenjeni stabilizator odlikujejo dobra termična robustnost, ±1 % natančnost izhodne napetosti in navsezadnje enostavna uporaba, saj je za zagotavljanje optimalnih pogojev delovanja potrebno dodati le še dva tantalova blokirna kondenzatorja, enega na V in pin in enega na

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 42 V out pin. Za oba kondenzatorja smo po priporočilu iz podatkovnega lista izbrali vrednosti 220 µf (Slika 35). Vcc Vin NCP5667 Vin Vout GND Vinput +5V C70 220u C71 220u GND GND GND Slika 35: NCP5667 Za dovajanje napetosti 3,3 V smo se odločili za TI LM1117. Slednji je zmožen vezju dovesti 800 ma toka. V tem primeru pa smo potrebovali 300 ma toka za napajanje elementov. Tudi ta linearni stabilizator odlikuje enostavna uporaba. Tudi v tem primeru smo na pina V in in V out dodali tantalova blokirna kondenzatorja vrednosti vsakega 10 µf (Slika 36). LM1117 Vcc C41 10u Vin Vout GND +3,3V C40 10u GND GND GND Slika 36: LM1117 Že omenjeni blokirni kondenzatorji so zelo pomemben člen pri pravilnem delovanju vezja. Slednji zagotavljajo dobro filtriranje visokofrekvenčnih šumov v napajanju ali motenj ostalih elementov v vezju. Postavitev blokirnih kondenzatorjev je ključnega pomena za pravilno delovanje. Kondenzatorje je potrebno namestiti čim bližje napajalnemu pinu čipa. S tem zagotovimo čim manjšo impedanco linij in upornost med kondenzatorji in čipom. Pri izbiri vrednosti blokirnih kondenzatorjev smo se ravnali po podatkovnih listih uporabljenih čipov. K samim čipom smo izbrali kondenzatorje, ki so bili postavljeni v naslednjem vrstnem redu (od napajanja do pina čipa): C 1 = 10 µf (Tantal), 100 nf (keramični), 10 nf (keramični) in 1 nf (keramični) (Slika 37).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 43 Vin R1 1 2 Vcc 4,7 C1 10u 1 2 C2 100n 1 2 C3 10n 1 2 C4 1n GND Slika 37: Mreža blokirnih kondenzatorjev Blokirne kondenzatorje z vrednostmi 100 nf smo zatem še postavili na vsa mesta kjer so napajalne linije vodile h konektorjem na druge tiskane ploščice. Z omenjenimi ukrepi smo želeli že v začetku izločiti morebitne težave, ki jih znajo povzročati nepravilno izvedeni napajalni viri. 8.2 Mikrokrmilnik Uporabili smo mikrokrmilnik STM32F407VGT6. Gre za 32-bitni mikrokrmilnik ARM CortexM4, podjetja ST Microelectronics. Nekatere pomembnejše lastnosti mikrokrmilnika STM32F407VGT6 so: 32-bitna arhitektura, frekvenca jedra do 168 MHZ, do 512 Kb Flash pomnilnika, 82 GPIO pinov: 3 x 12 bitni A/D pretvorniki (16 kanalov), 3 x SPI vodila, 2 x I 2 S vodila, 3 x I 2 C vodila in 14 časovnikov. Mikrokrmilnik je bil del razvojne ploščice STM32F4DISCOVERY, na kateri so bili razen samega mikrokrmilnika še nameščeni ST-LINK/V2 programer in debugger, ST MEMS 3- osni pospeškometer (LIS302DL), ST MEMS avdio mikrofon (MP45DT02) in avdio DAC (CS43L22).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 44 Slika 38: Razvojna ploščica STM32F4DISCOVERY Odločili smo se za uporabo omenjene razvojne ploščice. Iz slike 38 so vidni konektorji za posamezne pine. Izdelali smo tiskano ploščico ustreznimi položaji konektorjev tako, da smo našo tiskano ploščico enostavno nataknili na razvojno ploščico STM32F4DISCOVERY. Za programiranje smo uporabili programsko okolje uvision4, podjetja KEIL. uvision4 je del MDK-ARM razvojnega okolja z vgrajenim prevajalnikom ARM C/C++, s podporo za celotno družino Cortex mikrokrmilnikov in z veliko bazo uporabnih programskih knjižnic. Programsko kodo smo pisali v programskem jeziku C. Celotna programska koda se nahaja na priloženem CD-ju. 8.2.1 A/D pretvornik Pri konverziji analognega signala v digitalni, smo se odločili za uporabo A/D pretvornika vgrajenega v mikrokrmilniku. Vgrajen A/D pretvornik je 12 bitni in s tem zagotavlja zadostno resolucijo za ciljno aplikacijo. Zaradi vpliva šuma smo iz rezultata analogno-

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 45 digitalne pretvorbe uporabili samo zgornjih 11 bitov, s čemer na aplikaciji dosežemo teoretično natančnost 0,5 C. 8.2.2 Delovanje programa Algoritem Programsko realizacijo regulacije temperature v mikrovalovni pečici smo izvedli v treh glavnih modulih (Slika 39): Modul regulacije temperature, ki meri in nastavlja želeno temperaturo. Modul I/O, ki skrbi za manipulacijo pritisnjenih tipk. Grafični modul, ki skrbi za prikaz podatkov. Slika 39: Delovanje programa na STM32F407VGT6

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 46 Na vhodu analogno digitalnega pretvornika procesorja merimo: signal referenčnega vlakna VMT, signal merilnega vlakna VMT in vrednost tipk (tipke so kodirane kot prikazano na Slika 54). Procesirani podatki iz A/D pretvornika nam predstavljajo glavne parametre delovanja. S pritiskom tipke višamo ali nižamo temperaturo, nastavljamo način delovanja ter vklapljamo ali izklapljamo delovanje. V glavnem delu programa tako samo preverjamo ali je bila pritisnjena tipka in nanjo ustrezno odreagiramo (seveda osvežimo še LCD če je to potrebno). Uporabili smo štiri tipke (Tabela 7): Tabela 7: Funkcje tipk Tipka Tipka 1 (T1) Tipka 2 (T2) Tipka 3 (T3) Tipka 4 (T4) Funkcija Povišaj temperaturo Znižaj temperaturo Segrej / Pogrevaj Start / Prekini S tipkama T1 in T2 nastavimo želeno temperaturo do katere želimo snov segreti. S tipko T3 določimo ali želimo snov le segreti (ročni režim delovanja) do želene temperature ali pa želimo, da se s pogrevanjem določena temperatura vzdržuje (avtomatski režim delovanja). S tipko T4 bodisi poženemo mikrovalovko, bodisi jo ustavimo ali ponastavimo nastavljene vrednosti. Temperaturo določimo iz karakteristike spremembe optične moči - spremembe napetosti na A/D pretvorniku. 8.2.3 Komunikacija mikrokrmilnika z osebnim računalnikom Za komunikacijo med mikrokrmilnikom in osebnim računalnikom smo uporabili čip FT232RL, podjetja»ftdi«. Slednji ima v čipu integriran USB v UART vmesnik tako, da prenos podatkov poteka po USB kablu [42]. Pomembnejše lastnosti čipa FT232RL so:

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 47 enojno napajanje od +1,8 V do + 5,25 V, velikost sprejemnega pomnilnika 256 Bytov, velikost izhodnega pomnilnika 128 Bytov, pasovna širina 48 MHz, integriran 1024 bitni EEPROM za I/O konfiguracijo, shranjevanje USB VID, PID, serijske številke in opisa naprave in celoten USB protokol se izvaja na čipu zaradi česar ni potrebe po dodatnem pisanju kode za napravo. Omenjeni čip smo uporabili zaradi enostavnosti implementacije v našo aplikacijo, saj smo s tem prihranili čas pri pisanju programske kode za prikaz podatkov na osebnem računalniku. 8.3 Vir in detektor 8.3.1 Svetleča dioda (LED) Svetleča dioda je zaradi delovanja in zgradbe izjemno pogost gradnik elektrooptičnih sistemov. Izdelava LED je preprosta in je poceni zato je pogosta v krajših komunikacijskih povezavah, kjer uporabljamo mnogorodovna vlakna. Pravtako jih večinoma srečamo v komercialnih proizvodih (indikatorji, daljinski upravljalniki, igrače, ipd...) kakor v različnih senzorskih sistemih (npr. vlakenski senzorji z modulacijo gostote svetlobnega toka). Svetleče diode sevajo svetlobo na principu sevanja trdnih teles. Bistvo delovanja je v oddajanju energije elektrona, ki iz vzbujenega višjega energetskega stanja atoma preide na nižje. Elektron odda energijo v obliki elektromagnetnega sevanja z določeno frekvenco. Če je frekvenca elektromagnetnega sevanja v vidnem polju, to zaznamo kot svetlobo. Efekt je znan kot elektroluminiscenca, barva svetlobe pa ustreza energiji fotona, ki je določena z energijsko režo [1, 43]. Svetleča dioda je sestavljena iz polprevodnega elementa, ki vsebuje nečistoče, ki na zaporni plasti povzročijo p-n spoj. Tok teče iz p-strani, torej iz anode proti katodi, v

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 48 nasprotni strani pa ne. Z napetostno razliko gnani elektroni in vrzeli potujejo proti spoju elektrod. Ko elektron zapolni vrzel, se sprosti energija v obliki fotona. Valovna dolžina oddane svetlobe je odvisna od snovi, ki tvorijo p-n spoj. V silicijevih in germanijevih diodah se elektroni in vrzeli spajajo brez oddajanja svetlobe, ker sta posredna polprevodnika [1, 43] (Slika 40). + - p-tip n-tip vrzel svetloba elektron prevodni pas Fermijev nivo rekombinacija ponor valenčni pas Slika 40: Delovanje LED Svetleče diode so običajno zgrajene na nosilcu n-tipa, na katerega je pritrjena elektroda p- tipa, lahko pa je tudi obratno. Mnogo komercialnih vrst svetlečih diod je izdelanih na safirni podlagi, sploh GaN/InGaN svetleče diode. Svetleče diode so v osnovi p-n spoj ali polprevodniška dioda, ki pa ni zgrajena iz silicija, temveč iz drugih materialov, ki sicer porabijo več moči, a sevajo svetlobo. Izsevana svetloba je odvisna od uporabljenih materialov substratov [1, 43]. Za naš vir smo izbrali svetlečo diodo Osram LA W5SN-KYKZ-24 [35] (Slika 41). Slednja se uporablja v avtomobilski industriji, za osvetljevanje interierja, pri prometni signalizaciji, varnostni signalizaciji, ipd...

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 49 Slika 41: LED Osram LA W5SN-KYKZ-24 [35] Svetleče diode se napajajo s konstantnim električnem tokom, to pomeni, da napetost na svetleči diodi lahko niha glede na barvo svetlobe, glede na temperaturo in glede na toleranco sestave same svetleče diode. Napajalnik mora torej natančno nadzorovati tok, ki je prisoten v tokokrogu. Premočan električni tok uniči svetlečo diodo v nekaj sekundah, prešibak električni tok pa drastično zmanjša njeno svetlobno zmogljivost. Omenjena svetleča dioda potrebuje za svoje delovanje konstantni tokovni vir, ki mora dovajati 700 ma toka. V tem primeru oddaja rdečo svetlobo z valovno dolžino ki ima vrh pri 633 nm. V ta namen smo sestavili konstantni tokovni vir. Ker smo želeli krmiliti vir, tj. ga prižigati oz. ugašati preko mikrokrmilnika smo to storili preko tranzistorja. Uporabili smo tranzistor TIP121[36]. Tranzistor TIP121 je Darlington NPN tranzistor, ki deluje kot posrednik kateri ima na eni strani mikrokrmilnik, na drugi strani pa vir, kateri mora svetleči diodi dovajati 700 ma toka (Slika 42). +5V 1 2LED 1 2 R8 PLED 1 R7 2 820 1 B 2 3 C T1 TIP 121 E GND Slika 42: Napajalno vezje za svetlečo diodo

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 50 Za napajanje svetleče diode smo uporabili vir, ki je dajal +5 V (NCP5667). Z uporom R 8 smo omejili tok na maksimalnih 700 ma: R U U 5 3,3 5V F 8 = = = 2,43 Ω (8.1) I F 0,7 Kjer so: U 5V napajalna napetost +5 V, U F padec napetosti na svetleči diodi in I F tok, ki teče skozi svetlečo diodo. Izbrali smo upor z najbližjo vrednostjo po E24 nomenklaturi in sicer 2,4 Ω 1,5 W. Ker naša svetleča dioda potrebuje za svoje delovanje ustrezno hlajenje, smo v ta namen izdelali ustrezno hladilno telo, katero smo namestili na diodo. Slednja dioda v osnovi ni namenjena za uporabo v opto-elektronskih aplikacijah, zato smo izdelali še sistem za pozicioniranje optičnega vlakna (Slika 43). Slika 43: Hladilno telo s sistemom za pozicioniranje optičnega vlakna Iz slike 43 je razvidno hladilno telo v obliki hladilnih reber, na katera smo na koncu še namestili ventilator s premerom 5 cm in napajanjem +5 V. Sistem za pozicioniranje nam je omogočal natančne premike po x, y, z oseh, s čemer smo lahko natančno pozicionirali

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 51 optično vlakno nad svetlečo diodo. Ko smo na merilniku optične moči izmerili največjo optično moč, smo nosilec privijačili, da je stal fiksno na enem mestu. 8.3.2 Detektor Prva stopnja pri obdelavi optičnega signala je bila transformacija le tega v električnega. V ta namen se uporablja fotodioda. Tako transformirana napetost ima majhne vrednosti kar onemogoča nadaljnjo kvalitetno obdelavo signala, zato je potrebno uporabiti še transimpedančno stopnjo, za ojačitev signala. Proizvajalci na trgu ponujajo fotodiode in transimpedančne stopnje, ki pa za našo aplikacijo niso bile uporabne v našem primeru so moči majhne (tu mislimo predvsem na senzorski del), zato je potrebno čim bolj kvalitetno odpraviti šum in druge zunanje motnje. Prav v tem primeru je uporaba OPT101 [34] smotrna, saj že vsebuje transimpedančno stopnjo na enakem kosu silicija kot je fotodioda. Nekatere pomembne lastnosti OPT101 (Slika 44): enojno napajanje od +2,7 V do +36 V, velikost foto-diode 0,09 x 0,09 palca, pasovna širina 14 khz pri R F = 1 MΩ, mirovni tok: 120 μa in visoka občutljivost: 0,45 A/W (650 nm). Slika 44: Notranja zgradba in spektralni odziv OPT101 [34]

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 52 OPT101 smo uporabili za transformacijo dveh optičnih signalov in sicer senzorskega in referenčnega. Senzorski signal je bil šibak, referenčni pa močan, zaradi česar smo morali OPT101 enkrat povečati občutljivost, drugič pa jo zmanjšati. To smo storili z vezavo ustreznega upora in kondenzatorja na pina 2 in 5 (Slika 45). Slika 45: Sprememba občutljivost z zunanjim uporom [34] Za senzorski signal smo dali upor R EXT = 10 MΩ. S tem smo povečali DC ojačanje notranje transimpedančne stopnje na 10*10 6 V/A. Vzporedna vezava kondenzatorja C EXT v tej konfiguraciji ni bila potrebna. Za referenčni signal pa smo vezali upor R EXT = 0,1 MΩ in vzporedno kondenzator C EXT = 33 pf. S tem smo zmanjšali DC ojačanje notranje transimpedančne stopnje na 0,1*10 6 V/A. Kondenzator C EXT je v tej konfiguraciji eliminiral nestabilnost transimpedančne stopnje. OPT101 mora biti za pravilno delovanje postavljen v temo. Tedaj, na izhodu, pri deklarirani temperaturi 20 C izmerimo napetost 7,5 mv. Slednjo napetost je potrebno upoštevati pri meritvah, tj. jo odšteti od izmerjene. Da smo zagotovili temo za OPT101 in pozicionirali optično vlakno na območje občutljivosti fotodiode, smo izdelali nosilec, ki je tudi hkrati bil ohišje za OPT101 (Slika 46).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 53 Slika 46: Ohišje za OPT101 / nosilec za optično vlakno 8.4 Operacijski ojačevalnik in filter Izmerjene vrednosti napetosti iz OPT101 so bile še vedno prenizke za kvalitetno digitalizacijo, zato je bilo potrebno signal še dodatno ojačiti in filtrirati. Za ojačanje smo uporabili operacijski ojačevalnik OPA2376 [32]. Operacijski ojačevalnik OPA2376 (Slika 47) spada v serijo precizijskih operacijskih ojačevalnikov. Izbrali smo ga na podlagi lastnosti: nizka ničelna napetost, dobro razmerje SNR, dober CMMR in v čipu sta integrirani dve ojačevalni stopnji. Slika 47: Konfiguracija pinov - OPA2376 [32] Filtriranje smo izvedli z nizko prepustnim filtrom. Zaradi enostavnosti in želene točnosti sistema smo uporabili RC filter I. reda (Slika 48).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 54 Vin R 1 2 Vout 1 C 2 GND Slika 48: RC filter I.reda Sprememba temperature je v naši aplikaciji potekala počasi zaradi česar ni bilo potrebe po visokofrekvenčnem sistemu. Podatke o temperaturi smo zajemali vsako sekundo. Torej smo potrebovali filter z mejno frekvenco f c = 1 Hz. Izračun mejne frekvence se izračuna po enačbi: f c = 1 2π RC. Vedeli smo kakšno mejno frekvenco želimo, izbrali smo upor (z večjo upornostjo zaradi višjih vhodnih impedanc) R = 680 kω, kapaciteto kondenzatorja pa smo izračunali iz preurejene enačbe f c : f c R = 1 Hz 3 = 680 10 Ω 1 1 C = = = 2,34 10 3 2πRf c 2π 680 10 1 7 F (8.2) Izračunana vrednost kondenzatorja je bila ~230 nf. Namesto nestandardnega kondenzatorja (230nF) smo uporabili standardni kondenzator vrednosti 220 nf s toleranco ±10 %. Ponovni preračun mejne frekvence z izbranim kondenzatorjem pokaže rezultat f c = 1.0639 Hz. Filter z enakimi vrednostmi RC filtra smo uporabili tako v merilnem vlaknu za senzor kakor tudi v merilnem vlaknu za referenco. Ojačanje signala smo izvedli z neinvertirajočo vezavo, kjer smo za nastavljanje upornosti R 1 uporabili digitalni potenciometer (Slika 49).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 55 3 2 8 4 OPA2376 1 1 1 2 R2 H * R1 W L GND Slika 49: Neinvertirajoči operacijski ojačevalnik Vrednost ojačanja smo preračunali glede na maksimalno vrednost, ki jo še lahko prenese analogni vhod mikrokrmilnika napetost 3,0 V. Za uporabo digitalnega potenciometra smo se odločili iz razloga ker čeprav smo se trudili izdelati več enakih senzorjev, so slednji že zaradi omenjenih»proizvodnih«postopkov imeli različen odboj svetlobe, kar je imelo za posledico različen iznos izmerjene optične moči (kakor potem tudi električne napetosti). Zato, da ne bi preobremenili analogni vhod mikrokrmilnika, je za nekatere senzorje bilo potrebno znižati ojačanje, za druge pa ga zvišati. To seveda ni vplivalo na samo karakteristiko senzorja, je pa premaknilo območje napetosti v področje od 1,2 V do 2,8 V na analognem vhodu mikrokrmilnika. Uporabili smo digitalni potenciometer MAX5488 [33] podjetja Maxim Integrated Products (Slika 50). Slednji ima naslednje lastnosti: SPI komunikacija, nastavljanje upornosti od 0 Ω do 50 kω po koraku 0,195 kω (256 korakov), zadnja nastavljena vrednost se shrani v EEPROM in možnost konfiguracije v potenciometer ali napetostni delilnik.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 56 Slika 50: Funkcijska shema MAX5488 [33] Izračun neinvertirajočega ojačanja je enak kot če bi imeli oba upora fiksne vrednosti: A = 1+ R R 2 1 (8.3) V našem primeru smo vrednost upornosti R 1 glede na želeno ojačanje, določili s korakom od 0 do 255, kjer je en korak imel vrednost 0,195 kω. Vrednosti koraka smo zapisali v ti.»write-wiper Register«. Slednji register ima bitno širino enega zloga (byte). V primeru, da nastavimo korak na 0 bodo biti nastavljeni na: 0000 0000 (0 kω), v nasprotnem primeru, da nastavimo korak na 255 bodo biti nastavljeni na 1111 1111 (50 kω). Komunikacija digitalnega potenciometra z mikrokrmilnikom je potekala preko SPI vodila katerega smo opisali v naslednjem podpoglavju. 8.4.1 SPI komunikacija SPI standard (Serial Peripheral Interface) za serijsko komunikacijo je razvilo podjetje Motorola. Primarna naloga tega standarda je komunikacija periferije s krmilnikom, tj. raznimi spominskimi moduli, LCD prikazovalniki, A/D pretvorniki, itd... Zunanjo povezavo z ostalimi enotami predstavljajo štiri linije. Te so SCLK, SS, MISO in MOSI. Po liniji SCLK se prenaša urin takt. Z linijo SS (ang. Slave Select) izberemo podrejeno napravo na SPI vodilu. MISO (ang. Master Input Slave Output) in MOSI (ang. Master

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 57 Output Slave Input) liniji skrbita za prenos podatkov. SPI vodilo je v prvi vrsti namenjeno hitremu prenosu podatkov, katero nima vgrajene naslovne sheme. Zunanja naprava je izbrana s posebnim pinom, v angleščini imenovanim»slave select«. Podatkovni liniji sta priključeni na zunanjo napravo in njuna orientacija je odvisna od načina v katerem naprava deluje, v nadrejenem ali v podrejenem. Maksimalna hitrost prenosa podatkov je 400 kbit/s (Slika 51). SPI Master SCLK MOSI MISO SS SCLK MOSI MISO SS SPI Slave Slika 51: Strojna shema SPI komunikacije Uporabnik ima dostop do petih SPI registrov. V časovnem registru nastavimo vrednost delilnega razmerja SCLK in takta ure na SPI vodilu. V kontrolnem registru nastavimo želeni način delovanja vodila. Ker je prenos po serijskem SPI vmesniku relativno enostaven, obstaja mnogo naprav, ki jih lahko nanj priklopimo. Zato je potrebno tako podatkovno, kot tudi SCLK linijo pravilno nastaviti. Najprej je potrebno poskrbeti za pravilno polariteto in fazo urinih impulzov na vodilu. Polariteta je lahko aktivna v visokem ali nizkem stanju (Slika 52). C POL = 0 SCLK CPMA = 1 C POL = 1 CPMA = 0 Slika 52: Nastavitev polaritete in faze urinih impulzov na SPI vodilu

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 58 Faza urinih impulzov je lahko naravnana na rob ali sredino podatkovnih impulzov. Pred prenosom je potrebno nastaviti še orientacijo podatkov, ki prihajajo po vodilu. Izberemo lahko prenos, ki se začne z najpomembnejšim in konča z najmanj pomembnim, ali pa prenos z ravno obratno orientacijo. Vse zgoraj opisane nastavitve so odvisne od naprave s katero želimo komunicirati, kar si je potrebno ogledati v dokumentaciji same naprave. 8.5 LCD zaslon Za prikaz temperature, nastavljanje parametrov smo uporabili LCD zaslon podjetja Batron, model BTHQ128064AVD1 [40]. Gre za grafični zaslon, velikosti 128 x 64 pik, modrega ozadja, in pisave bele barve. Vgrajen krmilnik v zaslonu je SITRONIX ST7565P. Zaslon se napaja z napetostjo +3,3 V. Zaslon omogoča s krmilnikom komunikacijo bodisi preko paralelnega vmesnika ali preko serijskega vmesnika (SPI - 8.4.1). Slika 53: LCD zaslon Za LCD zaslon smo izdelali potrebno elektronsko vezje za napajanje in komunikacijo. Komunikacija je potekala preko SPI serijskega vmesnika. Na sliki 53 so vidne informacije, ki so se izpisovale na LCD zaslonu in sicer informacija o trenutni temperaturi (T), informacija o nastavljeni željeni temperaturi (Tz), informacija o

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 59 načinu delovanja (Ogrej/Ogrevaj) in informacija o stanju pečice tj. če je zagnan program (ON) ali je samo v načinu pripravljenosti (OFF). 8.5.1 Tipke za upravljanje Na sliki 53 so zraven LCD zaslona vidne tudi že omenjene tipke za nastavljanje in upravljanje pečice. Slednje smo povezali v uporovno lestvico. Na ta način smo dosegli, da smo s pritiskom na različne tipke na izhodu dobili različne vrednosti napetosti uporovni delilnik (Slika 54). Paziti smo morali edino, da so bile vrednosti uporov med sabo dovolj različne, in AD dovolj zmogljiv, da je razlike mogoče izmeriti. Prednost takšnega pristopa je med drugim tudi v tem, da lahko za večje število tipk uporabimo samo en analogni vhod mikrokrmilnika. RS1 1 2 CS1 1 2 +3,3V 1 R2 1k C30 1 2 100n GND 39 2 1 10n 3,5k 1 2 R3 2 - + LET2 1 RS2 2 39 2 1 CS2 1 2 10n 2k 1 2 R4 - + 1 RS3 2 39 LET3 2 1 CS3 1 2 10n 2 1k R5 1 1 2 GND Buttons C31 100n - + LET4 RS4 1 2 CS4 1 2 2 500 1 R6 - + 39 10n 2 1 LET5 GND Slika 54: Tipke v uporovni lestvici

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 60 Na sliki 54 so še vidni blokirni kondenzatorji na napajalnem delu kakor tudi na vhodu za A/D pretvornik in razbremenilna vezja ti.»snubber«. Razbremenilna vezja se vežejo vzporedno s preklopno napravo (stikalom). Naloga razbremenilnega vezja je omejiti oscilacije napetosti dv di, toka in prenapetosti ki dt dt nastanejo ob prehodnem pojavu pri preklopu. Pride do pojava, ko ob pritisku na tipko, napetost oscilira, namesto, da bi se stabilizirala. To ima za posledico skakanje digitalne vrednosti v mikrokrmilniku, kar nam potem otežuje določanje slednje za posamezno tipko. Uporabili smo RC razbremenilno vezje. Vzporedno z vsako tipko smo namestili v serijo povezana upor R S in kondenzator C S. Naloga upora je, da zaduši oscilacije dv dt, naloga kondenzatorja pa je, da zmanjša toplotno disipacijo na uporu [16]. Vrednost kondenzatorja mora biti takšna, da blokira vse nižje frekvence in DC komponento. Vrednosti upora R S in kondenzatorja C S smo določili izkustveno in sicer R S = 39 Ω in C S = 10 nf. Natančnejši izračuni za našo aplikacijo niso bili potrebni. So pa potrebni natančnejši izračuni, ko je potrebno razbremenilna vezja implementirati v vezja z močnostnimi komponentami (Buck, Boost konverterji, tiristorska vezja...). Tam je potrebno zagotoviti čim bolj gladke prehode med preklopi s čim manj oscilacij. 8.6 Krmilje za mikrovalovno pečico Mikrovalovna pečica je imela v osnovi lastno elektronsko vezje in kontrolno ploščo preko katere je uporabnik lahko nastavljal čas ogrevanja, nastavil časovnik, pognal ali ustavil program. Da smo lahko pečico upravljali preko našega LCD zaslona z našimi tipkami smo naredili ustrezno elektronsko vezje, s katerim smo upravljali osnovne funkcije. Za nas so bile pomembne štiri funkcije in sicer: zagon programa pečice (nastavljanje časa delovanja in začetek programa), ustavitev programa pečice, stanje magnetrona ali je prižgan (program pečice deluje) ali je ugasnjen (program pečice je ustavljen) in kontrola rotacije pladnja v pečici.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 61 Nismo posegali v elektronsko vezje pečice temveč smo ugotovili kje se nahajajo kontakti tipk, na katere smo z zadnje strani prispajkali ožičenje. Ožičenje smo napeljali do našega krmilnega vezja. Pri načrtovanju krmilnega vezja smo upoštevali, da je mikrovalovna pečica priključena na električno omrežje 220 V AC. S tem namenom smo naredili naše krmilno vezje, da je bilo galvansko ločeno od vezja v mikrovalovni pečici. To smo storili z uporabo optokoplerjev. Optokoplerje, model HCPL-817 [37] proizvajalca Avago Technologies smo uporabili preverjanju pri stanja magnetrona (Slika 55), krmiljenju zagona (Slika 56) in ustavljanja (Slika 57) in pri. Za kontrolo smeri rotacije pladnja smo uporabili dvopolni rele G5V-2 [39] proizvajalca Omron (Slika 58). +3,3V mon 1 2 R1 10k 4 IC1 3 HCPL-817 GND 1 2 1 1k 2 1 R2 2 LET2 + - Slika 55: Vezje za kontrolo stanja magnetrona Run 1 220 2 R4 1 IC3 4 2 3 HCPL-817 1 2 LET4 + - GND Slika 56: Vezje za zagon programa mikrovalovne pečice Cancel 1 220 2 1 IC2 4 R3 2 3 HCPL-817 GND 1 2 LET3 + - Slika 57: Vezje za ustavitev programa mikrovalovne pečice

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 62 A D1 K +5V 1N4007 10 1 2 8 RL1 1 R6 Rele 1 820 2 R5 1 7 6 2 3 5 4 GND G5V-2 4 3 2 1 2 3 T1 BC141 LET5 Slika 58: Vezje za kontrolo smeri rotacije pladnja v mikrovalovni pečici Funkcija releja je bila, da je spreminjal polariteto motorja in s tem smer rotacije (pladnja). Tuljavico v releju smo prožili preko NPN tranzistorja BC141 [38]. Izbira tranzistorja je bila pogojena s kolektorskim tokom I C, saj je tuljavica v releju za delovanje pri +5 V potrebovala minimalno 100 ma toka. Diodo 1N4007 smo uporabili kot zaščito (shunt) proti povratnem sunku toka ko se prekine napajanje na tuljavici. 9 PREDSTAVITEV CELOTNEGA SISTEMA IN REZULTATOV V prejšnjih poglavjih smo opisali postopke izdelave senzorja, princip delovanja, opisali smo uporabljene elektronske komponente in pripadajoča elektronska vezja. V tem poglavju bomo predstavili celoten sistem, katerega smo sestavili iz slednjih komponent in jih vgradili v mikrovalovno pečico. Pravtako bomo predstavili tudi rezultate končnih, praktičnih meritev temperature in regulacije.

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 63 9.1 Predstavitev sestavljenega sistema Sistem smo vgradili v mikrovalovno pečico proizvajalca Gorenje, model MO20DGS. Za namestitev elektronskih vezij smo uporabili ohišje iz umetne mase (ABS plastika) proizvajalca MULTI-BOX, model MBT 302385 [41]. Ohišje ima dimenzije (mm): 300,0 x 230,0 x 85,0 (D x Š x V) (Slika 59). Slika 59: Mikrovalovna pečica in ohišje [41] Ohišje smo pritrdili na hrbtno stran mikrovalovne pečice. Zvrtali smo vse potrebne luknje za ožičenje, konektorje in optično vlakno tj. senzor (Slika 60). Slika 60: Nameščeno ohišje na mikrovalovno pečico V ohišje smo namestili vsa elektronska vezja, optični delilnik in optični vir (Slika 61).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 64 Slika 61: Nameščene komponente v ohišju Na sliki 61 je viden razpored komponent v ohišju. Najprej smo po robovih ohišja napeljali ožičenje. Zatem smo namestili vsa vezja in naposled optični delilnik, katerega smo namestili v namensko ohišje in optični vir. Vso ožičenje smo priključili tako, da ni bilo na poti optičnim vlaknom. Na opto-elektronsko vezje smo namestili nosilce za vlakna in jih namestili na oba OPT101. Sledila je montaža LCD zaslona na sprednjo stran mikrovalne pečice (Slika 62).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 65 Slika 62: Nameščen LCD zaslon s tipkami za upravljanje LCD zaslon smo namestili na spodnji levi del vrat mikrovalovne pečice. Lokacijo smo izbrali zaradi lažjega ožičenja potrebnega za elektronsko vezje LCD zaslona in tipk za upravljanje. Ožičenje smo napeljali po levem robu vrat, pod vrhnjim ohišjem mikrovalovne pečice. Posebno pozornost smo namenili ožičenju za tipke. Za slednje smo uporabili oklopljen kabel (Slika 63). Slika 63: LCD zaslon s tipkami za upravljanje Zaradi krhkosti senzorja in lažjega rokovanja smo slednjega zaprli v ohišje. Kot ohišje smo uporabili kvarčno cevko z zunanjim premerom 4 mm, notranjim premerom 2 mm in dolžine 60 mm (Slika 64).

Optični vlakenski senzor za merjenje temperature v mikrovalovni pečici Stran 66 Slika 64: Ohišje senzorja z nosilcem Na koncu kvarčne cevke smo naredili konico, iz umetne mase. V notranjosti mikrovalovne pečice smo naredili držalo za senzor. 9.2 Predstavitev rezultatov 9.2.1 Določitev karakteristike senzorja Karakteristiko smo določili iz spremembe optične moči tj. spremembe napetosti na A/D pretvorniku. Po priključitvi na A/D pretvornik na smo predvidevali, da bo karakteristika podobna kot karakteristiki spremembe optične moči (Slika 34). Za določitev karakteristike smo izvedli poskusno meritev, kjer smo senzorsko vlakno segrevali v temperaturnem kalibratorju. Meritev smo izvedli v temperaturnem območju od 0 C do 110 C po koraku 5 C. Merili smo vrednosti na obeh vlaknih, senzorskem delu in referenčnem delu (Slika 65).