УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2002 года по МПК G01K11/12 G01K11/18 

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры и может найти применение при контроле температуры в различных производственных и бытовых помещениях.

Известно устройство для детектирования пламени и измерения температуры, содержащее два волоконно-оптических световода, между которыми помещен чувствительный элемент, изменяющий свои оптические свойства под воздействием температуры. На конце одного из световодов установлена линза, обращенная к месту контроля открытого пламени. На конце другого световода установлен детектор, включающий, по крайней мере, два элемента, чувствительных к различным длинам волн спектра. Устройство снабжено источником излучения (лазерным диодом), излучающим в импульсном или постоянном режиме две длины волны. Устройство имеет микропроцессор, анализирующий выходные сигналы детектирующих элементов (см. патент США 505159, G 01 J 1/00, НКИ 250-339, 1991).

Недостатком известного устройства является то, что оно способно измерять температуру и контролировать возникновение очага возгорания только в одной точке. Для обеспечения контроля температуры и пламени в нескольких различных точках, например в нескольких помещениях одного здания, необходимо использование множества таких детекторов, что резко повышает стоимость системы контроля.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения температуры, содержащее источник света и фотоприемник, соединенные волоконно-оптическим трактом, включающим два световода, в зазоре между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент, контактирующий с контролируемым объектом и изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием температуры контролируемого объекта, и компьютер для обработки электрических сигналов фотоприемника (см. патент США 4338516, G 01 J 3/34, НКИ 250-226, 1982). В известном устройстве в качестве источника света также используется лазерный диод, длина волны излучения которого в процессе работы устройства изменяется контролируемым образом по заданной программе.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что оно позволяет контролировать температуру только в одной точке контролируемого объекта.

Задача изобретения состояла в разработке такого устройства для измерения температуры, которое обеспечивает возможность контроля температуры в нескольких точках контролируемого объекта.

Указанная задача решается тем, что предложено устройство для измерения температуры, содержащее источник излучения и приемник излучения, соединенные волоконно-оптическим трактом, включающим световоды, между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент, изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием изменения температуры контролируемого объекта, в котором согласно изобретению волоконно-оптический тракт содержит более двух световодов, между торцами которых помещены чувствительные оптические элементы, установленные в различных точках контролируемого объекта.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство содержит несколько волоконно-оптических трактов с несколькими чувствительными оптическими элементами в каждом из них, причем концы световодов, образующих входные участки волоконно-оптических трактов, установлены напротив общего источника излучения, а концы световодов, образующих выходные участки волоконно-оптических трактов, установлены напротив общего приемника излучения.

Другим отличием предлагаемого устройства является то, что, источник излучения выполнен в виде лампы накаливания, имеющей непрерывный спектр излучения.

Еще одним отличием предлагаемого устройства является то, что приемник излучения выполнен в виде многоканального спектроанализатора, включающего многоканальный волоконно-оптический ввод, соединенный с концами выходных участков волоконно-оптических трактов, отклоняющую призму, установленную напротив волоконно-оптического ввода, объектив, коллимирующий и фокусирующий излучение за отклоняющей призмой, диспергирующий элемент и фотоприемник, воспринимающий излучение от диспергирующего элемента.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения фотоприемник выполнен в виде двухмерной кремниевой матрицы, имеющей множество фоточувствительных элементов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предпочтительного варианта выполнения устройства.

На фиг.2 изображен блок источника излучения.

На фиг.3 представлен оптический датчик температуры в продольном разрезе.

На фиг.4 изображена оптическая схема блока приемника излучения.

На фиг. 5 изображен корпус многоканального волоконно-оптического ввода для приемника излучения.

На фиг.6 изображен фрагмент держателя концов световодов в многоканальном оптическом вводе по фиг.5.

На фиг. 7 изображена функциональная схема электронного блока обработки сигналов.

Устройство содержит (см. фиг. 1) блок 1 источника излучения и блок 2 приемника излучения, соединенные несколькими волоконно-оптическими трактами 3. В каждом волоконно-оптическом тракте содержится не менее трех световодов 4, 5, 6, в разрывах между торцами которых помещено не менее двух чувствительных оптических элементов 7 и 8, установленных в различных точках контролируемого объекта (на фиг. не показан) и изменяющих свою спектральную прозрачность под воздействием температуры. Приемник 2 излучения снабжен многоканальным волоконно-оптическим вводом 9 (см. фиг.5 и 6), в котором закреплены концы выходных участков световодов 6, и соединен с электронным блоком 10 обработки электрических сигналов (см. фиг. 7), включающим персональный компьютер.

Источник 1 излучения (см. фиг.2) содержит галогенную лампу 11 накаливания, имеющую непрерывный спектр излучения, коллимирующую линзу 12 и фокусирующую линзу 13, фокусирующую излучение лампы 11 на световодный жгут 14, образованный входными концами световодов 4 (см. фиг.1).

Чувствительные оптические элементы 7 и 8, изменяющие свою спектральную прозрачность под воздействием температуры контролируемого объекта и служащие в качестве датчиков температуры (см. фиг.3), содержат тонкостенную металлическую или керамическую трубку 15, внутри которых с помощью герметика 16 закреплены концы световодов 4 и 5 (или 5 и 6). В зазоре между оптически отполированными торцами световодов 4 и 5 (или 5 и 6) установлена тонкая пластинка 17 из полупроводникового материала (например, арсенида галлия, фосфида галлия и др.), у которого под воздействием изменения температуры контролируемого объекта смещается край полосы прозрачности.

В качестве приемника 2 излучения в предлагаемом устройстве используется многоканальный спектроанализатор (см. фиг.4), в состав которого входят многоканальный волоконно-оптический ввод 9 (см. фиг.5 и 6), преломляющая призма 18, коллимирующая и фокусирующая система 19, диспергирующий элемент 20 и фотоприемник 21. В качестве фотоприемника 21 используется двухмерная кремниевая матрица с зарядовыми связями (ПЗС), например двухмерная кремниевая матрица фирмы Texas Instruments (США) типа ТС237. Она имеет формат 658•496 фоточувствительных площадок с размером 7,4 мкм каждая, имеет высокую квантовую эффективность (до 80% в максимуме чувствительности) и позволяет гибко управлять процессом считывания изображения.

В качестве диспергирующего элемента 20 используется дифракционная решетка с частотой не более 600 штрихов на 1 мм.

Многоканальный волоконно-оптический ввод 9 (см. фиг.5 и 6) имеет цилиндрический корпус 22 из титанового сплава с поперечной перегородкой 23 с отверстиями 24, через которые пропущены концы выходных участков световодов 6 (см. фиг. 1). Корпус 22 снабжен фиксирующим штифтом 25, который при сборке устройства позволяет сориентировать торцы световодов 6 относительно призмы 18 спектроанализатора 2 (см. фиг.4).

Блок 10 обработки электрических сигналов (см. фиг.7) содержит задающий генератор 26, который через драйверы 27 и 28 вертикального и горизонтального переноса связан с двухмерной кремниевой матрицей 21. Выход двухмерной матрицы 21 соединен со схемой 29 выборки-хранения сигналов, на выходе которой установлен буферный каскад 30, соединенный с аналого-цифровым преобразователем 31. Выход аналого-цифрового преобразователя 31 через интерфейс 32 подключен ко входу персонального компьютера.

Следует отметить, что предлагаемое устройство в простейшем варианте своего выполнения может содержать только один волоконно-оптический тракт 3. Однако в этом тракте содержится не менее двух чувствительных оптических элементов 7 и 8 (до 30 и более).

Устройство работает следующим образом.

Для контроля температуры в различных точках контролируемого объекта чувствительные элементы 7 и 8, служащие в качестве датчиков температуры, устанавливаются в разных точках контролируемого объекта. При этом чувствительные элементы 7 и 8, размещенные в одном волоконно-оптическом тракте 3, желательно установить в различных точках одной зоны контролируемого объекта, например в одном контролируемом помещении здания, а чувствительные элементы, размещенные в другом волоконно-оптическом тракте, устанавливают в различных точках другой зоны контролируемого объекта, например в другом помещении здания.

При изменении температуры в точке контроля, где расположен один из оптических чувствительных элементов 7 или 8 волоконно-оптического тракта 3 происходит смещение края полосы прозрачности этого чувствительного элемента, которое анализируется в соответствующем канале многоканального спектроанализатора 2. Двухмерная кремниевая матрица 21, расположенная в фокальной плоскости спектроанализатора 2, преобразует попадающее на нее излучение в поле зарядов в чувствительной области матрицы. Драйверы 27 и 28 (см. фиг.7) вертикального и соответственно горизонтального переноса последовательно переносят эти заряды в буферную область матрицы 21, а затем на ее выход. На выходе матрицы 21 электрические заряды, стекая по нагрузочному резистору (на фиг. не показан), преобразуются в электрический сигнал. Поскольку перенос зарядов происходит по принципу строчно-кадровой развертки, то в амплитуде выходного сигнала содержится вся информация о световой мощности сигнала, поступающего на чувствительную область матрицы 21 от каждого отдельного волоконно-оптического тракта.

Эта информация преобразуется в аналого-цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 31 и выводится на экран персонального компьютера. При этом сигнал на экране персонального компьютера будет пропорционален сдвигу полосы прозрачности такого оптического чувствительного элемента 7 или 8 соответствующего волоконно-оптического тракта 3, который находится при максимальной температуре. Следовательно, компьютер отразит факт повышения температуры в одной из точек контролируемой зоны объекта, охватываемой соответствующим волоконно-оптическим трактом, но не покажет, в какой именно точке. Однако, если все точки контроля температуры, относящиеся к одному волоконно-оптическому тракту, размещаются в известной зоне контролируемого объекта, например в одном помещении здания, то этот сигнал может служить сигналом предупреждения о возникновении опасной ситуации в этой зоне.

Изобретение может найти применение при контроле температуры в различных производственных и бытовых помещениях. Устройство содержит несколько волоконно-оптических трактов, включающих более двух световодов, между торцами которых помещены чувствительные оптические элементы. Чувствительные элементы изменяют свою спектральную прозрачность под воздействием изменения температуры контролируемого объекта. Входные участки волоконно-оптических трактов установлены напротив общего источника излучения, а выходные участки - напротив общего приемника излучения. Такое выполнение устройства обеспечит контроль температуры объекта в нескольких точках одновременно с использованием одной оптической системы. 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для измерения температуры, содержащее волоконно-оптический тракт, включающий световоды, между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент, изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием изменения температуры контролируемого объекта, отличающееся тем, что волоконно-оптический тракт содержит более двух световодов, между торцами которых помещены чувствительные оптические элементы, установленные в различных точках контролируемого объекта, причем устройство содержит несколько волоконно-оптических трактов с несколькими чувствительными оптическими элементами в каждом из них, концы световодов, образующих входные участки волоконно-оптических трактов, установлены напротив общего источника излучения, а концы световодов, образующих выходные участки волоконно-оптических трактов, - напротив общего приемника излучения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде лампы накаливания, имеющей непрерывный спектр излучения. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что приемник излучения выполнен в виде многоканального спектроанализатора, включающего многоканальный волоконно-оптический ввод, соединенный с концами выходных участков волоконно-оптических трактов, отклоняющую призму, установленную напротив волоконно-оптического ввода, объектив, коллимирующий и фокусирующий излучение за отклоняющей призмой, диспергирующий элемент и фотоприемник, воспринимающий излучение от диспергирующего элемента. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен в виде двухмерной кремниевой матрицы, имеющей множество фоточувствительных элементов.