ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1994 года по МПК G01J5/38 G01K11/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры газовых или жидких сред, в том числе дистанционного, как в нормальных условиях, так и в условиях воздействия сильных электрических и магнитных полей, химически агрессивных сред, радиации, во взрывоопасных условиях.

Известен волоконно-оптический термометр [1] , выполненный на основе крутого изгиба оголенного участка, помещенного в термооптическую среду, в котором используется связь между температурой измеряемой среды, показателем преломления термооптической среды и коэффициентом пропускания крутого изгиба световода. Этот термометр содержит источник света, подключенный к двум U-образным световодам, крутой изгиб одного из которых помещен в измеряемую среду, и два фотоприемника, один из которых оптически сопряжен с выходом опорного, а другой - с выходом сигнального световода.

Известен оптоволоконный датчик температуры [2] , который по технической сущности наиболее близок к заявляемому и принят за прототип. Датчик состоит из двух волоконных световодов, одни концы которых соединены вместе и помещены в капсулу, внутренняя поверхность дна которой обеспечивает зеркальное отражение света. Между дном капсулы и концами световодов расположена пластинка из полупроводникового материала, характеризующегося температурной зависимостью спектра (края полосы) поглощения (пропускания). От источника света, спектр излучения которого согласован с шириной спектра (края полосы) поглощения термочувствительного элемента, в первый световод направляется луч света, который проходит его, проходит через полупроводниковую пластинку, отражается от дна капсулы, вновь проходит через полупроводниковую пластинку и поступает во второй световод, по которому передается к приемнику излучения. В зависимости от величины температуры изменяется коэффициент пропускания полупроводниковой пластинки, вследствие чего изменяется интенсивность направляемого во второй световод излучения.

Величина светового потока, достигающего фотоприемника, описывается следующим выражением:
Ф= Ф_и( λ) κ (λ) r_o(λ ) [1+ α(Т-Т_о) ] , (1) где Ф_и( λ) - поток, излучаемый источником света на длине волны λ;
κ (λ) - ослабление световода на длине волны λ;
r_o(λ ) - коэффициент пропускания полупроводникового материала при температуре Т= Т_о на длине волны λ ;
α - температурный коэффициент пропускания полупроводниковой пластинки или чувствительность датчика.

При прочих равных условиях точность измерения температуры тем выше, чем выше чувствительность датчика. В известных лучших устройствах подобного типа в качестве термочувствительного элемента используются кристаллы теллурида кадмия или арсенида галлия, характеризующиеся термическим сдвигом края полосы поглощения d λ /dT ≈ 0,3 нм/град, что при ширине края полосы поглощения 100 нм соответствует чувствительности α ≈ 0,3 % /град. При достижимой в настоящее время точности измерения напряжений ≈ 0,03% подобная чувствительность потенциально обеспечивает точность измерения температуры на уровне 0,1^оС. На самом же деле она значительно ниже, ≈ 5^оС, и обусловлена флуктуациями частоты излучения, интенсивности излучения и коэффициента пропускания световода из-за неконтролируемых изгибов последнего.

Для уменьшения влияния перечисленных выше дестабилизирующих факторов конструкция волоконно-оптического термометра значительно усложняется из-за введения второго источника монохроматического света и использования двухволнового метода обработки измерительной информации. В итоге погрешность измерения снижается до 0,5-1^оС.

Сущность изобретения заключается в том, что в волоконно-оптическом датчике температуры, содержащем осветительный и приемный световоды, одни концы которых соединены вместе и помещены в капсулу с дном, обеспечивающим зеркальное отражение света, а противоположные подключены соответственно к источнику света и фотоприемнику, оба световода заключены в водонепроницаемую трубку, торец соединенных вместе световодов расположен вблизи дна капсулы на расстоянии, равном половине диаметра d световодной жилы, капсула и световоды изготовлены из материалов с коэффициентами линейного теплового расширения соответственно β₁ и β₂, концы соединенных вместе световодов закреплены во втулке, последняя закреплена в капсуле, при этом торец втулки удален от дна капсулы на расстояние l₁= l₂ + , где l₂ - длина свободных концов соединенных вместе световодов, связанная с l₁соотношением l₁ β₁-l₂ β₂= ; α - чувствительность датчика, а полость капсулы, образованная ее стенкой, торцом втулки и поверхностью свободных концов световодов, дренажным отверстием соединена с полостью трубки.

Сущность решения заключается в изменении коэффициента оптической связи между осветительным и приемным световодами на участке между торцом световодов и дном капсулы при изменении температуры.

Это позволяет упростить конструкцию волоконно-оптического датчика и уменьшить его себестоимость; исключить влияние флуктуаций частоты источника света на точность измерений; увеличить чувствительность датчика и уменьшить влияние таких дестабилизирующих факторов, как флуктуация мощности источника света и пропускания световодов; управлять диапазоном и точностью измерений температуры.

На фиг. 1 изображен предлагаемый волоконно-оптический датчик температуры.

Устройство содержит капсулу 1 с зеркально-отражающим дном 2, торец 3 соединенных вместе и закрепленных во втулке 4 концов осветительного 5 и приемного 6 световодов, дренажное отверстие 7, соединенное с полостью трубки 8, источник 9 света, сопряженный с осветительным световодом, и фотоприемник 10, сопряженный с приемным световодом.

Волоконно-оптический датчик температуры работает следующим образом.

Световой поток от источника 9 света поступает в осветительный световод 5 и распространяется по нему до торца 3 соединенных вместе концов осветительного 5 и приемного 6 световодов, выходит из торца 3, отражается от дна 2 капсулы 1, поступает в торец приемного световода 6 и распространяется по нему до фотоприемника 10, в котором регистрируется величина светового потока
Ф= Ф_и κ r_o [1+ (l₁ β₁-l₂ β₂)(Т-Т_о)] , (2) где Ф_и - величина светового потока, испускаемого источником света;
κ - пропускание световода;
r_o - пропускание участка торец соединенных вместе световодов - дно капсулы при температуре Т= Т_о;
d - диаметр световодной жилы;
l₁ - длина стенки капсулы, ограничивающей ее полость при Т= Т_о;
l₂ - длина свободных концов световодов капсулы при Т= Т_о;
β₁ - коэффициент линейного теплового расширения материала капсулы;
β₂ - коэффициент линейного теплового расширения материала световодов.

В выражении (2) для предлагаемого устройства в отличие от выражения (1) для прототипа исключено дестабилизирующее влияние флуктуаций частоты источника света на точность измерений за счет исключения из конструкции датчика чувствительного элемента с селективной спектральной характеристикой. Возможность использования также более дешевых широкополосных источников света (лампа накаливания, излучающий световод) приводит одновременно к упрощению и удешевлению его конструкции. Как следует из (2), температурный коэффициент пропускания или чувствительность датчика
α = (l₁ β₁-l₂ β₂) (3) зависит от геометрических размеров стенок полости и световодной жилы, а также от коэффициентов линейного теплового расширения материалов капсулы и световодов и поэтому может регулироваться в широких пределах. Увеличение же чувствительности в несколько раз позволяет во столько же раз уменьшить влияние остальных дестабилизирующих факторов на точность измерения температуры.

Действительно, если переписать выражение (2) с учетом возможных флуктуаций мощности источника света и пропускания световодов:
Ф= Ф1+ 1+ r_o(1+αΔT), (4) тo из (4) следует, что приведенное к значениям температуры влияние перечисленных выше факторов обратно пропорционально чувствительности датчика:
= αΔT и ΔT= (5)
= αΔT и ΔT= (6)
Работа предлагаемого устройства основана на температурной зависимости расстояния L между торцом соединенных вместе световодов и дном капсулы, обусловленной различным тепловым расширением капсулы и свободных концов световодов. Действительно, при изменении температуры от значения Т_о до значения Т:
L(T)= l₁ [1+β ₁(T-T_o) -l₂ [1+ β₂(T-T_o) ] =
= (l₁-l₂)+(l₁ β₁-l₂ β₂)(T-T_o)=
= L_o+(l₁ β₁-l₂ β₂)(T-T_o), (7) где L_o= L(T_o) - расстояние между торцом световодов и дном капсулы при значении температуры Т_о;
L(T) - то же самое расстояние при значении температуры Т.

Изменение указанного расстояния пропорционально изменению температуры:
L(T)-L(T_o)= (l₁ β₁-l₂ β₂)(T-T_o) (8)
Для преобразования его в электрический сигнал использована известная зависимость коэффициента связи r по световому потоку между волокнами осветительного и приемного световодов в функции расстояния между торцом соединенных вместе световодов и отражателем. Типичный график этой зависимости показан на фиг. 2.

Максимального значения коэффициент связи r достигает при расстоянии L, равном приблизительно диаметру световодной жилы d. Выбирая рабочую точку в середине линейного участка восходящей ветви характеристики (r_о, L(T_o)= ), получим для коэффициента пропускания на участке торец световодов - дно капсулы: (, (9) где а - коэффициент пропорциональности, откуда следует справедливость приведенной выше формулы (2).

Для исключения возможных деформаций капсулы при нагреве воздуха внутри ее полости последняя дренажным отверстием соединена с атмосферой.

Волоконно-оптический датчик температуры может быть реализован, например, на следующих элементах:
- светоизлучающий диод типа АЛ-107;
- кварцевые световоды с диаметром световодной жилы 20 мкм;
- капсула из алюминия с полированным дном;
- втулка из инвара;
- фотоприемник типа ФД-256;
- резиновая трубка;
- эпоксидный компаунд для фиксации концов световодов, втулки и капсулы.

Так, при размерах капсулы и свободных концов световодов l₁= l₂= l= 15 мм чувствительность датчика будет равна: = ) что на порядок превышает чувствительность датчика, выбранного в качестве прототипа.

Таким образом, цель изобретения достигается путем изменения коэффициента оптической связи между осветительным и приемным световодами на участке торец соединенных вместе световодов - дно капсулы при изменении температуры.

(56) 1. Приборы и техника эксперимента, N 1, 1987, с. 21; Рябов А. С. Маврин В. Н. и др. Волоконно-оптический термометр.

2. Патент Японии N 61-213738/А, кл. G 01 K 11/12, 1987.

Использование: в измерительной технике для измерения температуры газовых и жидких сред. Сущность изобретения: заключается в изменении коэффициента оптической связи между осветительным и приемным световодами на участке между торцом соединенных вместе световодов и отражающим дном капсулы при изменении температуры. В волоконно-оптическом датчике температуры, содержащем осветительный и приемный световоды, одни концы которых соединены вместе и помещены в капсулу с дном, обеспечивающим зеркальное отражение света, противоположные концы подключены соответственно к источнику света и фотоприемнику, Оба световода заключены в водонепроницаемую трубку, торец соединенных вместе световодов расположен вблизи дна капсулы на расстоянии, равном половине диаметра d световодной жилы. Капсула и световоды изготовлены из материалов с коэффициентами линейного теплового расширения соответственно β₁ и β₂ концы соединенных вместе световодов закреплены во втулке, последняя закреплена в капсуле, при этом торец втулки удален от дна капсулы на расстояние l₁=l₂+d/2 где l₂ - длина свободных концов соединенных вместе световодов, связанная с l₁ соотношением l₁β₁-l₂β₂=α·d/2, где α - чувствительность датчика. Полость капсулы, образованная ее стенкой, торцом втулки и поверхностью свободных концов световодов, дренажным отверстием соединена с полостью трубки. 2 ил.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий осветительный и приемный световоды, одним концы которых соединены вместе и помещены в капсулу с дном, обеспечивающим зеркальное отражение света, а противоположные подключены соответственно к источнику света и фотоприемнику, отличающийся тем, что оба световода заключены в водонепроницаемую трубу, торец соединенных вместе световодов расположен вблизи дна капсулы на расстоянии, равном половине диаметра d световодной жилы, капсула и световоды изготовлены из материалов с коэффициентами линейного теплового расширения соответственно β₁ и β₂, концы соединенных вместе световодов закреплены во втулке, последняя закреплена в капсуле, при этом торец втулки удален от дна капсулы на расстояние l₁ = l₂ + d/2, где l₂ - длина свободных концов соединенных вместе световодов, связанная с l₁ соотношением l₁β₁-l₂β₂= , где α - чувствительность датчика, а полость капсулы, образованная ее стенкой, торцом втулки и поверхностью свободных концов световодов, дренажным отверстием соединена с полостью трубки.