På ett laboratorium i Sydney finns en 800 meter lång optofiber som fungerar som en temperaturgivare längs hela sin längd. Upplösningen är 0,2 m i längdled och 0,1 grader i temperatur.

En optisk fiber som mäter temperaturen i hela sin längd? Det låter för bra för att vara sant. Men det håller på att bli sanning i ett laboratorium i Sydney i Australien.

- Vi har redan nått dit när det gäller upplösningen i längdled, säger Tony Stokes, professor vid institutionen för elektroteknik vid University of Sydney.

I hans laboratorium forskar man inom området optogivare. Då avser man mätgivare, det vill säga givare som verkligen lämnar ifrån sig mätvärden och inte bara detekterar en tillståndsändringar. Och det är till stor del målinriktad forskning som i sinom tid ska resultera i givare som kan användas i industrimiljö.



Ursprung i kraftindustrin


Hela laboratoriet är en veritabel provkarta över forskning på optogivare. Optofibern som fungerar som en givare i hela sin längd representerar bara en typ av teknik.

- Det hela började med forskning för att få fram temperaturgivare till kraftindustrin, säger Tony Stokes.

- De ville mäta strömmar vid höga spänningar, och optotekniken gav en bra isolation. Sen dess har vi gradvis breddat forskningen eftersom optoteknik kan skräddarsys för olika tillämpningar.

Kraftteknikerna vill framför allt mäta strömmar och temperaturer i högspänningsapparater. En liten givare som matas med ljusenergi från marken och skickar tillbaka sitt mätvärde i form av ljus kan ersätta en dyr och klumpig strömtransformator.

Liknande teknik har också utvecklats på andra ställen, bland annat vid ABB i Sverige.

Nu har intresset för smidiga, men säkra optogivare ökat markant på grund av att elmarknaderna i många länder har börjat att avregleras. Både kraftbolag och storindustrier vill mäta ström, spänning och effekt kontinuerligt och noggrant på många fler ställen än förr, så att elkostnaderna kan bokföras och fördelas på alla inblandade parter: olika elproducenter, överföringsbolag, lokalnätsbolag och försäljningsbolag för elkraft samt, naturligtvis, elförbrukaren själv.

Nackdelen med de flesta kommersiellt tillgängliga optogivare för högspännning är att de måste matas med effekt från marken, och att de därför måste vara ytterligt effektsnåla. I laboratoriet i Sydney matar man givarna med en laserdiod på 40 mW, och den AD-omvandlare som digitaliserar mätvärdet drar blott 3,5 mW.

Egentligen är elektroniken en komplikation som dessutom tar plats. Därför vill forskarna göra elektroniken så enkel som möjligt. Ett forskningsprojekt går ut på utnyttja resonansfrekvensen hos en balk - i mikrostorlek - av ett halvledarmaterial. Tyvärr har det visat sig vara mer än svårt att få balken att vibrera med cirka 2 MHz i givaren, och därför ligger projektet på is just nu.

- Helst skulle vi vilja få bort all elektronik från givarna och istället lita till rent optiska fenomen, säger Tony Stokes.



Elektronik bör ligga i ändarna


Optofibern som mäter temperaturen längs hela sin längd är ett exempel på den sortens teknik. Den bygger på optiska fenomen inne i fibern. Att elektroniken i fiberns början måste vara desto mer avancerad gör inte så mycket.

Principen bygger på att man analyserar det ljus som återsänds bakåt genom spridningsfenomen i fibern. En räknare räknar de fotoner som når fiberns början, och med en tidsupplösning på 0,2 ns får man en upplösning på 0,2 m.

Det viktiga för forskarna är att nå fram till en fiberoptisk givare som kan ge en bild av temperaturen längs hela fiberns längd. Upplösningen måste vara hög både i längdled och i temperatur. Den ska alltså fungera som ett mätinstrument snarare än som en temperaturdetektor. Där skiljer den sig från de överhettningsdetektorer som bygger på att en fiber är inspunnen i till exempel en kraftkabel (se Elektroniktidningen 1993:11, s 22)

Vid laboratoriemätningarna har man värmt upp korta delar av en drygt hundra meter lång mätfiber. Resultaten har varit så lyckade att det företag som har sponsrat projektet beslutat sig för att tekniken ska utvecklas till en kommersiell produkt.

En annan typ av rent optisk givare är den där man skapar ett gitter inne i fibern med hjälp av ultraviolett bestrålning. Reflektionen i gittret varierar linjärt med temperaturen.

Den här tekniken försöker man utveckla för att mäta temperaturen inne i en transformator, och hittills ser det lovande ut. Men om man vänder på tillämpningen inträffar det märkliga att tekniken blir högst intressant för en helt annat bransch än elkraftbranschen:

- En fiber med flera gitter som är avstämda till olika frekvenser skulle kunna användas som en optisk modulator, säger Tony Stokes.

- Telekommunikationsbolagen har också visat ett märkbart intresse för vår gitterteknik.

Den kanske mest lovande tekniken bygger på faradayeffekten, som innebär att polarisationen i glas vrids av ett pålagt magnetfält. Vinkeländringen av polarisationen är helt linjär. Tekniken utvecklas av ett särskilt forskningscentrum för optoteknik, Optical Fibre Technology Centre, OFTC, som ligger i närheten av universitetet. I det projektet deltar bland annat ABB.



Forskning lågprioriterat


Australien må vara ett mycket välutvecklat och välmående land, men det är inte direkt en stormakt inom vare sig elektronik eller elkraftteknik, snarare tvärtom. Avancerade industrier och tillämpad forskning har länge stått lågt i kurs.

- En gång hade vi lika bra förutsättningar som Sverige eller Tyskland att bygga upp industrier som ABB eller Siemens. Men regeringarna stimulerade basindustrier som jordbruk och gruvor istället för mer värdeskapande industrier, säger Tony Stokes.

- Vi hör till världstoppen inom en del grundforskning, speciellt radioastronomi, men den tillämpade forskningen har inte gynnats alls.

- För att få fart på industriforskningen har Australien nu satt upp ett antal forskningscentrum som ska odla och utveckla australiska specialiteter. De finansieras gemensamt av myndigheterna och industrin och kallas för Cooperative Research Centre, CRC. Ett sådant centrum är Australian Photonics CRC, som sysslar med optoteknik. Där ingår OFTC, som redan anses som världsledande när det gäller att tillverka de specialfibrer som behövs för framtidens rent optiska givare.

Per Stymne





Analyserar ljuset som återsänds bakåt


Tekniken bakom de extremt långa temperaturmätande optofibrerna bygger på optiska fenomen inne i fibern.

Genom att analysera det ljus som återsänds bakåt tack vare dispersionsfenomen i fibern, och räkna de fotoner som når fiberns början kan man få en bild av temperaturen längs hela fiberns längd. Givaren kan upptäcka temperaturförändringar på 0,1 °C. Med en tidsupplösning på 0,2 ns i fotonräkningen får man en noggrannhet runt 0,2 m i fiberns längdled.

Givaren är ett resultat av de australiska forskarnas ansträngningar att få fram rent optiska givare. Att det behövs avancerad elektronik i fiberns ändpunkter gör dock inte så mycket.