Foto: Iben Julie Schmidt, CEKO

Nye optiske sensorer tåler ekstreme forhold

fredag 10 mar 17
|
af Iben Julie Schmidt

CEKO Sensors ApS

CEKO er en nystartet virksomhed, som producerer optiske sensorer baseret på forskning og to patenter fra DTU Nanotech. De første sensorer, som er solgt, er vibrationsmålere (accelerometre), men andre typer sensorer er under udvikling. Virksomheden er grundlagt af Kasper Reck-Nielsen og Christian Østergaard og blev officielt en realitet den 1. maj 2015 takket være en investering fra Syddansk Teknologisk Innovation. CEKO har adresse i DTU’s forskerpark Scion DTU i Lyngby tæt på fabrikationsfaciliteterne i DTU Danchip, hvor sensorerne nu er sat i produktion.

Læs mere på www.cekosensors.com

Foto: Iben Julie Schmidt, CEKO

Produktionen af CEKOs optiske sensorer foregår i renrummene på DTU Danchip.

De er små, lette og meget nøjagtige, og så indeholder de hverken metal eller elektriske komponenter. Derfor kan de nye optiske sensorer komme til at spille en afgørende rolle for fremtidens vind- og olieindustri. De kan nemlig placeres steder, hvor brug af traditionelle sensorer ikke er mulig.

Vi er i dag så vant til at være omgivet af sensorer, at vi slet ikke tænker over det længere. Når vi griber mobiltelefonen eller sætter os ind i bilen, så arbejder et netværk af sensorer sammen for at holde os kørende. Takket være brug af sensorer har vi f.eks. kunnet udvikle biler, der er langt mere benzinøkonomiske og sikrere. Sensorer er i dag en uundværlig del af de fleste industrielle processer. Men der findes steder, hvor traditionelle sensorer endnu ikke har gjort deres indtog, fordi det af forskellige grunde er problematisk. Det er netop det marked, DTU-spinouten CEKO Sensors satser på at ramme med en ny type sensor.

Måler med lys

Sensoren er 100 procent optisk og måler ved hjælp af lys, der passerer igennem en specielt designet chip. Chippen indeholder hverken metal eller elektriske komponenter og behøver ingen ledninger. I stedet sendes lyset gennem en tynd glasfiber, og det betyder, at signalet kan transmitteres over store afstande, uden at det forringes synderligt. Nu har den første kunde meldt sig på banen. Rune Brincker leder forskningsgruppen ’Structual Integrity and Reliability’ på DTU’s Center for Olie og Gas. Gruppen beskæftiger sig bl.a. med, hvordan man forlænger levetiden for offshore-boreplatforme. Rune Brincker så straks potentialet i de nye sensorer.

Ny viden om boreplatforme

”Vi har købt de nye sensorer, fordi vi gerne vil vide mere om de konstruktioner, vi har stående ude i Nordsøen. Hvordan bliver de påvirket af f.eks. bølger, og hvilke spændinger er de udsat for? Der findes i dag kun ganske få målesystemer, der sidder derude hele tiden, så vi har ikke nok data, men det kan komme til at ændre sig nu. Sensorerne repræsenterer en ny teknologi, som løser nogle af de problemer, der er med de mere traditionelle målesystemer. Vi har meget høje krav til sikkerhed på en offshoreplatform, og derfor er man ikke glad for elektriske sensorer, der kan lave en gnist og udløse en eksplosion. Den problematik undgår vi med CEKOs sensorer. De er også langt mere holdbare og pålidelige på sigt,” forklarer Rune Brincker og fortsætter:

”Hvis vi ser lidt frem i tiden, tror jeg, at det er netop denne teknologi, der vil blive brugt, fordi den er bedre opbygget med færre komponenter. Samtidig forventer jeg, at sensorerne bliver meget nøjagtige og dog stadig billige.”

At leve op til disse forventninger er netop strategien for CEKO. Virksomhedens to stiftere, Kasper Reck-Nielsen og Christian Østergaard, kommer begge fra DTU Nanotech, hvor teknologien bag de nye sensorer er udviklet og patenteret.

En følsom chip

”I vores sensor har vi kombineret nogle eksisterende teknologier som fiberoptik og chipteknologi, og dernæst har vi givet teknologierne et tvist, så vi kan opnå en højere følsomhed, samtidig med at prisen holdes nede,” forklarer Christian Østergaard.

"Hvis man skal have noget, der virkelig er robust, skal man lave det meget enkelt."
Rune Brincker, forskningsleder, DTU's center for olie og gas

Sensoren er baseret på et princip, som bygger på en nanostruktur, der kaldes Bragg Grating. Det går ud på, at man lader hvidt lys passere forbi nogle små strukturer, der reflekterer lyset i bestemte farver (bølgelængdeområder). I stedet for at måle på intensiteten eller mængden af lys, der kommer igennem en fiber, måler man på ændringer i farven af det lys, der reflekteres tilbage.Det smarte ved dette er, at man så kan sætte flere sensorer på en fiber og skabe et sensornetværk, fordi hver sensor reflekterer et bestemt bølgelængdeområde, mens resten af lyset får lov til at passere igennem. En ændring i vibration vil altså kunne aflæses som en ændring i den farve lys, som reflekteres.

Bremser lyset

”Fiber Bragg Grating-teknologien har man kendt i mange år, men det nye og interessante ved vores sensor er, at vi har fundet en metode til at presse lyset sammen, når det passerer igennem vores chip, så det er lysets hastighed, der ændres, og ikke afstanden mellem de små strukturer. Det gør faktisk vores sensor 1.000 gange mere følsom end eksisterende optiske sensorer. Vi har altså en følsom sensor, der samtidig er så robust, at den kan sidde på virkelig udsatte steder i barske miljøer. Det er denne kombination, der åbner til nye markeder, hvor sensorer endnu ikke har vundet indpas,” fortæller Kasper Reck-Nielsen.

Vigtige data til vindindustrien

Men faktisk er det slet ikke olie- og gasindustrien, virksomheden har i tankerne som primær aftager af de nye sensorer. Det er derimod vindindustrien. For tænk, hvor meget værdifuld viden man kan få, hvis man placerer sensorer på vingerne af de store offshoremøller, som så kan sende realtime data tilbage til land, mens møllen producerer strøm.

”Ændringer i vingernes vibrationsmønstre kan afsløre små uregelmæssigheder på vingen og advare om, at det er tid til et servicebesøg, før det får alvorlige konsekvenser for driften. Sensorerne vil også kunne bruges til at advare om f.eks. overisning. I det hele taget vil man ved at monitorere kørslen med kontinuerlige målinger kunne optimere produktionen markant,” forklarer Kasper Reck-Nielsen.

Indtil nu har det slet ikke været på tale at sætte sensorer på selve vingerne, bl.a. fordi en elektrisk sensor tiltrækker lyn, som risikerer at beskadige vingen eller ødelægge hele møllen. Med disse sensorer uden metal og elektriske komponenter åbner sig derfor en ny verden. CEKO samarbejder i øjeblikket med DTU Vindenergi og flere af verdens største vindmølleproducenter om at gennemføre langtidstests af sensorerne på vindmøller. Målet er, ifølge Kasper Reck-Nielsen, at der om fem år sidder en håndfuld af sensorerne på hver tredje nye vindmølle. Dvs. en produktion på omkring 1.000 sensorer om måneden alene til vindmølleindustrien.

Trykmåling i oliebrønde

Der er flere anvendelsesområder, som CEKO vil undersøge. Vinger på fly er et af de oplagte steder, sensorerne kan bruges. Men teknologien muliggør også andre typer sensorer end vibrationsmålere (accelerometre) og dermed mange forskellige applikationer.

”Vi er lige nu i gang med at teste en sensor til måling af tryk i oliebrønde. Her er der tale om en sensor, der skal måle langt nede under jorden i temperaturer på flere hundrede grader og ved ekstremt højt tryk. Samtidig skal den kunne tåle en skylning med saltsyre,” forklarer Kasper Reck- Nielsen.

Testen ser faktisk lovende ud, så Kasper Reck-Nielsen og Christian Østergaard ser lyst på fremtiden for CEKO, og de bakkes op af Rune Brincker:

”Hvis man skal have noget, der virkelig er robust, skal man lave det meget enkelt. CEKOs sensor er enkelt bygget op, og den er samtidig baseret på en teknologi, som har et kæmpe potentiale, og som jeg forventer, vil kunne konkurrere med traditionelle sensorer på nøjagtighed inden for en overskuelig fremtid.”

Sådan virker en optisk sensor

Foto: Iben Julie Schmidt, CEKO

En fiberoptisk sensor virker ved, at man sender lys fra en laser gennem en fiber og i tilfældet med CEKOs sensorer også gennem en specielt designet chip. Chippens egenskab ændrer lyset som funktion af f.eks. vibrationer eller tryk. Det ændrede lyssignal sendes tilbage til et spektrometer, som aflæser signalet og oversætter det til data, som kan behandles i en computer.

I stedet for at måle på intensiteten eller mængden af lys, der kommer igennem fiberen, måler man på farven af det lys, der reflekteres. Det smarte ved dette er, at man kan sætte flere sensorer på en fiber og dermed lave et sensornetværk, fordi hver sensor reflekterer et bestemt bølgelængdeområde, mens resten af lyset får lov til at passere igennem. En ændring i vibration vil altså kunne aflæses som en ændring i den farve lys, som reflekteres.

Refleksionen af lys i bestemte farver skabes ved at sende lyset igennem nogle små gitre i nanostørrelse, der sidder med en bestemt periodisk afstand. I industrien benyttes dette i såkaldte Fiber Bragg Grating-sensorer. Idéen er, at hvis lys rammer en periodisk struktur, vil lyset gå i resonans, når det rammer strukturen. Herved bliver en bestemt bølgelængde reflekteret tilbage – den, der præcis passer til perioden Λ. Hvis man trækker i fiberen, forlænger man perioden, og så får man en anden bølgelængde og dermed en anden farve reflekteret tilbage. Dette kan beskrives ved denne formel:

Men i CEKOs sensor sendes lyset igennem en chip, som presser lyset sammen, når det passerer igennem chippen. Dermed ændres dets hastighed. Det er altså neff i formlen, der ændres, og ikke Λ, og det er det, som gør sensoren langt mere følsom.