微型光纤传感器检测在管风琴的甘露

文摘

一个新的光学传感器的连续监测露水形成内部器官管道设计。这方面的保护尤为重要器官没有暖气的教堂自露形成或冷凝管表面可以导致多种物理和化学破坏机制。的工作原理是基于反射率的变化观察到表面的纤维,当在其末端形成一层水。强度的变化测量的35%,之后的形成水层的远端400/430m光纤。进行长期测试将基地内的纤维尖端的in-house-made金属脚风琴管位于外部环境披露提出系统的一致性。

1。介绍

控制内的小气候博物馆,艺术画廊,和教堂也正越来越被认为是一个基本功能的保护和保存无价的艺术品(1,2]。这个应用程序是一个重要的要求非常低的环境影响,以保证最小干扰的可视化暴露的艺术品,游客,持续的监控和完整的安全操作。高度的小型化、容易处理和无电接触使利用光学传感器在这个领域非常合适。

光纤传感器起源于年代及其发展仍在扩大,因为他们发现他们的应用在许多领域,从环境医学和工业(3,4]。

的保护和维护的艺术品在博物馆和教堂是一个任务,总是追求但只有在过去的十年中最近的作品强调了有关小气候的作用。

小气候的知识,通过分析环境参数,允许评估风险水平的艺术对象暴露出来。显然,这可以触发行动针对最小化风险的原因和保险实现更合适的保存条件。之后,而且,很明显,他们的定义和成就,这些条件应该尽可能保持不变,尽管外部环境所带来的不可避免的变更。

管风琴和它的音乐是欧洲文化遗产的重要部分。器官,其外观结构和声音,是一个多媒体和多学科对象。器官遗产发现在欧洲的所有国家包括超过000历史价值的器官。

器官包含许多不同类型的材料等不同类型的木材,皮革,不同类型的铅锡合金,从纯导致几乎纯锡、铜和铁。它还包含一个复杂的系统的移动部件和波纹管风通道需要密封。这使得一个对象器官小气候变化和有害环境非常敏感。器官可以播放)如果只有一个刚刚提到的材料或功能对环境负面的方式。

最近,结果表明:腐蚀在管风琴的升级问题是由有机酸、尤其是乙酸,发出的木制部分器官(5- - - - - -7]。有机酸进入管脚,并创建一个内部的腐蚀环境。管道的腐蚀环境的形成主要依赖于金属合金管和器官的温度和湿度。高湿度和冷凝可以创建一个环境中开发模具的木制部分可以发生,它还会引起腐蚀的铁部分器官除了管腐蚀。同时,霜晶体在氧化形成常温教堂的管道可能导致机械损伤。

器官的保护文化遗产,是一个伟大的需要监测气候条件的器官和器官修复后的管道特别是或改变加热系统和通风条件的教堂。

框架的欧洲项目SENSORGAN(传感器系统检测有害环境管器官)的目的提供新的有害环境的监测和检测仪表管的器官通过传感器实时测量的发展,小型化光纤传感器检测露水的形成,或凝结,内部/外部管风琴正在进展中。

传感器的工作原理,它的设计和描述的实验室描述在这里。

2。实验

光纤传感器的工作原理是基于属性的改变光纤的光传输。输入要求的基础上,设计两种不同的配置和测试利用单一的纤维。

在第一个配置中,形成的层相关的水露点发生沿光纤包层的剥夺。折射率的变化相关的地层水层引起的改变光纤的传输特性,增加的光线是直接的纤维。为了增加的敏感性的方法(即。,an increase in the losses associated to the change of refractive index), the fibre is U-shaped in correspondence of the region where the cladding is removed. Practically the fibre is fixed on metallic cylinders by means of a polymeric glue, and the curved region is polished until the clad of the fibre is fully removed. Two different silica fibres were tested in this configuration, with a core diameter of 1 mm andHCPM0200T分别(3米)。纤维被连接到一个激光二极管(Roithner Lasertechnik, LDM635/3-OLU)一边和光电探测器(陶斯,TSL14S)在另一边。

第二个配置的工作原理是依据的反射率的变化光纤(3 m、HCPM0400T)后,形成一层水或冰晶体在其远端。很明显,这个配置更简单,更紧凑。类似的配置成功采用呼吸速率的连续监测,测量反射率的变化在纤维端由于冷凝湿度的变化从航空公司在呼吸8]。两个光纤(3 m、HCPM0200T核心/包层直径:)允许连接传感光纤的激光二极管(Roithner Lasertechnik, LDM635/3-OLU)和光电探测器(陶斯,TSL14S)。

图1显示了光电系统示意图用于纤维的审讯的第二个配置。它有三个渠道相互独立但共享相同的激光二极管(LD)作为光源,这样三个不同的位置可以同时监控。监视光电二极管(MPD)插入反馈回路的激光二极管(LD)司机,这恒功率发射是通过电压控制(P)和混合光电探测器(PD1-3),提供直接light-to-voltage转换(OUT1-3)。那么电压信号由模拟-数字转换器转换连接到一台笔记本电脑。

商业传感器是用来测量温度(模拟设备,AD22100)和相对湿度(霍尼韦尔,hih4000 - 001)。

3所示。结果与讨论

为了测试这两种不同的配置,设备是意识到有能力去改变,控制和测量的温度和相对湿度传感点的邻近地区。传感光纤的一部分是固定在一个铝块的温度调控的珀尔帖效应细胞。通过这种方式,可以达到露点与水滴的形成或水层的块段和传感光纤的一部分。

下一个软件程序开发虚拟仪器允许来自光纤信号的采集和传感器的湿度和温度以及驾驶珀尔帖效应细胞。

初步测试显示一个更好的灵敏度的reflectivity-based配置。在这个配置中,强度变化的35%被发现,而在u型纤维的变化不大于20%。

因此所有进一步的测试是用reflectivity-based配置。图2显示了夹克的光纤剥夺了位于铝块。铝块上的水滴形成由于凝结是清晰可见。图3显示了典型的结果块的温度改变时来和回。相对湿度的变化从40%降至大约90%。信号来自于光纤传感器是正常在干旱条件下对其价值。后的光信号,略有增加,开始减少由于水层的形成纤维提示。达到一个稳定值,这个值也存在后温度的增加,由于纤维上的湿度仍然存在。大约半个小时后,水完全蒸发和信号来自纤维回到初始值。可以看到,从纤维的变化信号的35%。在所有的实验中,外部温度和外部相对湿度保持几乎不变,等于和38%,分别。

为了评估性能的传感器在现实情况接近,该系统的特点是将传感光纤内部金属的脚风琴管建在Goteborg器官艺术中心。风琴管被放置在一个in-house-made热箱。三个传感器被放置在同一时间以评估结果的再现性和合适的in-house-made春天被用来保持纤维结束(切管的内表面)(图4)。今年春天被设计成使用也在现实条件下在教堂内部器官,访问内部表面的管风琴是通过执行一个小孔位于脚。

热循环进行了热箱的放置干冰,直到露发生在管道的内表面,然后删除它,直到与环境的平衡。这些步骤被重复几次。传感器输出的三种纤维,正常价值在干旱条件下,上面的图所示图5。在下面的图内的温度和相对湿度记录管脚。也在这种情况下,观察到在图3,光学传感器的响应与温度和湿度的变化,减少的光信号对应的RH的温度增加和减少。很重要的观察的行为三个光学传感器非常相似;观察到的差异可以归因于金属内的不同位置风琴管的特点是不同的距离光纤尖的金属表面。在任何情况下,三个传感器的重现性可以被认为是令人满意的传感器在实际的应用环境和水凝结的报警阈值可以建立对应的降低15%的光信号在干旱条件下展出。

实验室描述后,系统暴露在外部环境在长期天气屏幕打开百叶窗。光学系统是暴露与温度和相对湿度的传感器。图6显示了为期6天的测量结果。光学传感器的采样是每15分钟记录一个数据记录器。外部温度传感器的输出,和外部RH的已经被记录在案。周期性趋势显然是相关的周期,。光学传感器响应同样结露、结霜,因为它是被插入冰箱内部的纤维细胞,。输出下降为水滴冰晶相似。

这种行为完全满足的需求原位应用程序内部的传感器管风琴在教堂;危险水平的成就凝聚内部墙的管道可以确定一个阈值水平相应减少了15%的信号表现出在干燥条件。

的一个主要问题通常影响灰度传感器是由波动/损失不依赖于measurand-induced变化,例如源波动(避免在当前情况下使用二极管激光器驱动在恒功率)或光纤传输的变化引起的温度变化或纤维弯曲。这个问题不太有效的在这个应用程序中由于二进制操作(露不露)的性质。即使与RH装置展览相关在一定范围内,必须指出,它不是足够精确的模拟传感器,至少在这个简单的配置,没有任何参考通道补偿损失和引线波动没有校准。然而,特定的应用程序,这样的装置已经被开发出来,需要监控的发生过多的RH(> 90%),当然,产出下降低于80%的价值在干旱条件下获得。一旦安装(从那时,人们可以合理地期望小损失波动),它能可靠地用于开/关传感器只需修复一个合适的阈值,以低RH测量值成正比。此外,同时使用三个传感点的三种不同的纤维可以用作安全冗余;输出的一致性的三种纤维可以用作内在控制传感器的可靠性。

4所示。结论

描述光学传感器可以监测不断水凝结和冰晶的形成在管风琴。虽然没有测试,它也应该适当工作的醋酸和甲酸发布的木头恶化,因为它发生在管风琴。事实上,转导信号发生在界面的石英光纤/空气,感谢著名的石英纤维的耐化学性,这个表面应由弱酸的存在影响醋酸和甲酸等。此外,前面可能发生凝结为亲水金属氧化物的存在。在直接接触目标表面,它能够监视风琴管内部发生了什么。彻底的描述在实验室和外部环境的长期描述显示光学传感器的可靠性和效率的工作原理。下一步将是真正的性能测试的历史器官小教堂的圣安德鲁Olkusz使徒,波兰。

承认

这项研究受到了欧洲共同体的框架内欧盟资助项目SENSORGAN(传感器系统检测管organs-Contract没有有害的环境。022695)。

引用

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