ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 2018 года по МПК G01K11/32 

Техническое решение относится к области измерения температуры в зонах с сильными электромагнитными помехами, в зонах повышенной взрыво-пожароопасности, при измерениях под высоким напряжением и в других условиях, где недопустимо применение стандартных электронных средств контроля температурного состояния, а именно к системам для мониторинга температурного состояния в медицине, на объектах энергоснабжения, инженерных сооружениях.

Известен волоконно-оптический термометр (патент РФ RU 2491523 С1, «Волоконно-оптический термометр», опубликован 27.08.2013), включающий в себя волоконно-оптический датчик температуры с записанной вблизи его торца волоконной решеткой Брэгга, а также регистрирующую систему.

Недостатком указанного волоконно-оптического термометра является необходимость использования сложного дорогостоящего блока спектрального анализа принятого излучения и фотоприемного блока для регистрации спектрального смещения, как правило, это оптические анализаторы спектра. Оптоэлектронная раздельная обработка сигналов, также представляется сложной. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения температуры и снижению их точности в целом.

Существует волоконно-оптический термометр, включающий в себя источник лазерного излучения, оптический датчик, приемное устройство (Патент США №7463832 В2 «Метод и система компенсации тепловых смещений для оптических сетей», Опубликован 09.08.2005).

Принцип работы такого волоконно-оптического термометра заключается в том, что генерируют пары сигналов, заранее установленной близкой амплитуды, передают сгенерированную пару сигналов к оптическому датчику, принимают пропущенную через него пару сигналов, и определяют температуру, сравнивая разности амплитуд между сигналами пары, принятой после прохождения через оптический датчик, или сравнивая их амплитуды с амплитудами сигналов в сгенерированной паре, переданной к приемному устройству.

Недостатком указанного волоконно-оптического термометра является необходимость использования сложной оптической системы для раздельного спектрального приема отдельных компонент пар сигналов, требующей, как правило, наличия узкополосных интерференционных фильтров, в свою очередь, обладающих температурной зависимостью спектральных характеристик. Оптоэлектронная раздельная обработка компонент, также представляется сложной и представляет собой обработку абсолютных амплитудных значений принятых сигналов, подверженную воздействию шумов и помех различной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения температуры и снижению их точности в целом.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является волоконно-оптический термометр, описанный в способе (патент РФ RU 2491511 С2, «Способ измерения параметров физических полей», опубликован 27.08.2013), содержащий источник двухчастотного лазерного излучения, оптический разветвитель, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель, первый фотоприемник, второй фотоприемник, соединенный через третий волоконно-оптический кабель со вторым выходом оптического разветвителя, фазометр, контроллер определения параметра физического поля, при этом выходы первого и второго фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазометра, а выход фазометра к входу контроллера определения параметра физического поля. В различных случаях устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной решетки Брэгга, или интерферометра Фабри-Перо, или тонкопленочного фильтра. Как правило, длина третьего волоконно-оптического кабеля равна сумме длин первого и второго волоконно-оптических кабелей.

В основу работы прототипа положено измерение разности фаз между огибающей биений сигналов сгенерированной пары и огибающей биений сигналов пары, прошедшей через оптический датчик.

Недостатком прототипа является наличие сложного и дорогостоящего источника двухчастотного лазерного излучения, в котором необходимо использовать электрооптические модуляторы Маха-Цендера, у которых происходит смещение положения рабочей точки из-за воздействия внутренних и внешних факторов, такие как температура окружающей среды, таким образом, требуется дополнительное устройство для ее стабилизации, что существенно усложняет схему волоконно-оптического термометра. Кроме того, в данном техническом решении отсутствует возможность подключения более одного датчика температуры, а также отсутствует возможность мультиплексирования.

Техническая проблема заключается в сложности используемого источника двухчастотного лазерного излучения.

Решаемая техническая задача (технический результат) предлагаемого волоконно-оптического термометра заключается в упрощении схемы волоконно-оптического термометра.

Решаемая техническая задача (технический результат) в волоконно-оптическом термометре, содержащем источник лазерного излучения, оптический разветвитель, оптический датчик, первый фотоприемник, второй фотоприемник, контроллер определения температуры, источник лазерного излучения соединен с входом оптического разветвителя посредством волоконного световода, второй выход оптического разветвителя соединен с входом оптического датчика посредством волоконного световода отличающийся тем, что в него дополнительно введены оптический ответвитель, циркулятор, оптический фильтр, N-1 последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических разветвителей, N-1 оптических датчиков, N последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических объединителей, где N - натуральное число и N≥1, причем первый выход каждого предыдущего из N оптического разветвителя соединен с входом каждого последующего соответствующего из N оптического разветвителя, второй выход каждого введенного из N-1 оптического разветвителя соединен с входом соответствующего из N-1 оптического датчика посредством волоконного световода, выход каждого из N оптического датчика соединен со вторым входом соответствующего из N оптического объединителя посредством волоконного световода, причем первый вход каждого предыдущего из N оптического объединителя соединен с выходом каждого последующего соответствующего из N оптического объединителя, выход первого из N оптического объединителя соединен с входом оптического ответвителя посредством волоконного световода, первый выход оптического ответвителя соединен с входом первого фотоприемника посредством волоконного световода, второй выход оптического ответвителя соединен с входом циркулятора посредством волоконного световода, первый выход циркулятора соединен с оптическим фильтром посредством волоконного световода, второй выход циркулятора соединен с входом второго фотоприемника посредством волоконного световода, выходы первого и второго фотоприемника соединены с первым и вторым входами контроллера определения температуры соответственно посредством электрических проводов, источник лазерного излучения выполнен широкополосным, а каждый оптический датчик выполнен, на основе волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми сдвигами.

В частности, каждый оптический датчик выполненный, на основе волоконной решетки Брэгга содержит, по меньшей мере, два фазовых π-сдвига, симметрично расположенных относительно ее центральной длины волны, и разнесенных на величину Δλ.

В частности, в оптических датчиках разнос фазовых сдвигов Δλ_i≠Δλ_j, где i и j - номера оптических датчиков, i, j∈N, где N - множество оптических датчиков, при этом разность Δλ_i-Δλ_j не равна и не кратна в целом и частном Δλ_i и Δλ_j.

На фиг. 1 изображена структурная схема волоконно-оптического термометра, на фиг. 2 - конструкция оптического датчика, на фиг. 3 - спектр волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, на фиг. 4 представлен алгоритм работы контроллер определения температуры.

Волоконно-оптический термометр (фиг. 1, фиг. 2) содержит источник лазерного излучения 1, N последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических разветвителей 2₁ - 2_N, N оптических датчиков 3₁ - 3_N, N последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических объединителей 4₁ - 4_N, где N - натуральное число и может принимать значения, например, 1, 2, 3, 4, 5 и т.д., оптический ответвитель 5, циркулятор 6, оптический фильтр 7 первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 9, контроллер определения температуры 10, источник лазерного излучения 1 соединен с входом первого из N оптического разветвителя 2₁ посредством волоконного световода, первый выход каждого предыдущего из N оптического разветвителя 2₁ - 2_N соединен с входом каждого последующего соответствующего из N оптического разветвителя 2₁ - 2_N, второй выход каждого из N оптического разветвителя 2₁ - 2_N соединен с входом соответствующего из N оптического датчика 3₁ - 3_N посредством волоконного световода, выход каждого из N оптического датчика 3₁ - 3_N соединен со вторым входом соответствующего из N оптического объединителя 4₁ - 4_N посредством волоконного световода, причем первый вход каждого предыдущего из N оптического объединителя 4₁ - 4_N соединен с выходом каждого последующего соответствующего из N оптического объединителя 4₁ - 4_N, выход первого из N оптического объединителя 4₁ соединен с входом оптического ответвителя 5 посредством волоконного световода, первый выход оптического ответвителя 5 соединен с входом первого фотоприемника 8 посредством волоконного световода, второй выход оптического ответвителя 5 соединен с входом циркулятора 6 посредством волоконного световода, первый выход циркулятора 6 соединен с оптическим фильтром 7 посредством волоконного световода, второй выход циркулятора 6 соединен с входом второго фотоприемника 9 посредством волоконного световода, выходы первого и второго фотоприемника 8 и 9 соединены с первым и вторым входами контроллера определения температуры 10 соответственно посредством электрических проводов, источник лазерного излучения 1 выполнен широкополосным, а каждый оптический датчик 3₁ - 3_N выполнен, на основе волоконной решетки Брэгга 11 (фиг. 2) с двумя фазовыми сдвигами 12 (фиг. 2).

В частности, каждый оптический датчик 3₁ - 3_N выполненный, на основе волоконной решетки Брэгга 11 (фиг. 2) содержит, по меньшей мере, два фазовых π-сдвига 12 (фиг. 2), симметрично расположенных относительно ее центральной длины волны, и разнесенных на величину Δλ.

В частности, в оптических датчиках 3₁ - 3_N разнос фазовых сдвигов 12 Δλ_i≠Δλ_j, где i и j - номера оптических датчиков 3₁ - 3_N, i, j∈N, где N - множество оптических датчиков 3₁ - 3_N, при этом разность Δλ_i-Δλ_j не равна и не кратна в целом и частном Δλ_i и Δλ_j (фиг. 3). Подключают компоненты схемы согласно фиг. 1, подключают источник лазерного излучения 1, первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 9, и контроллер определения температуры 10 к источникам питания (система электропитания на фиг. 1 не показана), производят запись программы обработки сигнала согласно алгоритму, представленному на фиг. 4 в контроллер определения температуры 10.

Рассмотрим работу волоконно-оптического термометра (фиг. 1 - фиг. 4). Широкополосное излучение от источника лазерного излучения 1 (фиг. 1) направляется в оптические датчики 3₁ - 3_N через оптические разветвители 2₁ - 2_N.

В оптических датчиках 3₁ - 3_N в окнах прозрачности из полного спектра света вырезаются два узкополосных участка с разносом Δλ, при этом разнос фазовых сдвигов 12 Δλ_i≠Δλ_j, где i и j - номера оптических датчиков 3₁ - 3_N, i, j∈N, где N - множество оптических датчиков 3₁ - 3_N, при этом разность Δλ_i-Δλ_j не равна и не кратна в целом и частном Δλ_i и Δλ_j. Далее оптические объединители 4₁ - 4_N объединяют сигналы, прошедшие через оптические датчики 3₁ - 3_N и полученный сигнал попадает в оптический ответвитель 5, где разделяется на две части, одна из которых направляется на первый фотоприемник 8, другая через циркулятор 6 попадает в оптический фильтр 7, где происходит ослабление сигнала, в соответствии с его спектральным положением относительно характеристики отражения оптического фильтра 7, отраженный сигнал от оптического фильтра 7 через циркулятор 6 попадает во второй фотоприемник 9. Таким образом, на выходе первого фотоприемника 8 формируются огибающая биений двух частотных составляющих равной амплитуды с частотой, соответствующей разносу Δλ, а на выходе второго фотоприемника 9 формируются огибающая биений двух частотных составляющих разной амплитуды, зависящих от спектрального положения пропущенного от оптических датчиков 3₁ - 3_N света, также с частотой, соответствующей разносу Δλ. Контроллер определения температуры 10 принимает сигналы с первого и второго фотоприемников 8 и 9 и обрабатывает их по алгоритму, представленному на фиг. 4.

Волоконно-оптический термометр может быть создан на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм:

- источник лазерного излучения 1 SLD-1550-3 - лазерный диод фирмы «Superlum»;

- оптические разветвители 2₁ - 2_N, оптический ответвитель 5, оптические объединители 4₁ - 4_N - оптический разветвитель ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;

- оптические датчики 3₁ - 3_N - волоконная решетка Брэгга 11 по меньшей мере, с двумя фазовыми сдвигами 12 записанная в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань);

- циркулятор 6 - циркулятор 3РIOC-1550 фирмы «Flyin»;

- оптический фильтр 7 - волоконная решетка Брэгга, записанная в НЦВО «Фотоника» (Москва), или НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), или Инверсия-Файбер (Новосибирск), или Инверсия-Сенсор (Пермь) и т.д., либо покупные датчики этих фирм и фирмы FiberSensing;

- первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 9 высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;

- контроллер определения температуры 10 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.

При реализации волоконно-оптического термометра все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.

По сравнению с прототипом, предложенный волоконно-оптический термометр позволяет упростить схему, за счет устранения из схемы сложного и дорогостоящего источника двухчастотного лазерного излучения.

Дополнительным преимуществом предложенного волоконно-оптического термометра является возможность подключения более одного датчика температуры, а также появляется возможность мультиплексирования.

Испытания опытного образца волоконно-оптического термометра были проведены на оптических датчиках, изготовленных в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), откалиброваны на оптических анализаторах спектра ANDO там же, количество оптических датчиков составляет 256. Исследования показали, что предложенный волоконно-оптический термометр, позволяет значительно упростить его схему, при этом погрешность измерения температуры составляет ±0,3°С в диапазоне 240°С. Погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения температуры, а также неточностью изготовления датчиков температуры на основе волоконных решеток Брэгга с двумя фазовыми сдвигами.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - упрощение схемы волоконно-оптического термометра.

Изобретение относится к области измерения температуры в зонах с сильными электромагнитными помехами, в зонах повышенной взрыво-пожароопасности, при измерениях под высоким напряжением и в других условиях, где недопустимо применение стандартных электронных средств контроля температурного состояния, а именно к системам для мониторинга температурного состояния в медицине, на объектах энергоснабжения, инженерных сооружениях. Заявленный волоконно-оптический термометр содержит оптический ответвитель, циркулятор, оптический фильтр, N-1 последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических разветвителей, N-1 оптических датчиков, N последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических объединителей, где N - натуральное число и N≥1. Первый выход каждого предыдущего из N оптического разветвителя соединен с входом каждого последующего соответствующего из N оптического разветвителя, второй выход каждого введенного из N-1 оптического разветвителя соединен с входом соответствующего из N-1 оптического датчика посредством волоконного световода. Выход каждого из N оптического датчика соединен со вторым входом соответствующего из N оптического объединителя посредством волоконного световода, причем первый вход каждого предыдущего из N оптического объединителя соединен с выходом каждого последующего соответствующего из N оптического объединителя. Выход первого из N оптического объединителя соединен с входом оптического ответвителя посредством волоконного световода. Первый выход оптического ответвителя соединен с входом первого фотоприемника посредством волоконного световода, а второй выход оптического ответвителя соединен с входом циркулятора посредством волоконного световода. Первый выход циркулятора соединен с оптическим фильтром посредством волоконного световода, второй выход циркулятора соединен с входом второго фотоприемника посредством волоконного световода, а выходы первого и второго фотоприемника соединены с первым и вторым входами контроллера определения температуры соответственно посредством электрических проводов. Источник лазерного излучения выполнен широкополосным, а каждый оптический датчик выполнен на основе волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми сдвигами. Технический результат - упрощение схемы волоконно-оптического термометра. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Волоконно-оптический термометр, содержащий источник лазерного излучения, оптический разветвитель, оптический датчик, первый фотоприемник, второй фотоприемник, контроллер определения температуры, источник лазерного излучения соединен с входом оптического разветвителя посредством волоконного световода, второй выход оптического разветвителя соединен с входом оптического датчика посредством волоконного световода, отличающийся тем, что в него дополнительно введены оптический ответвитель, циркулятор, оптический фильтр, N-1 последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических разветвителей, N-1 оптических датчиков, N последовательно соединенных посредством волоконных световодов оптических объединителей, где N - натуральное число и N≥1, причем первый выход каждого предыдущего из N оптического разветвителя соединен с входом каждого последующего соответствующего из N оптического разветвителя, второй выход каждого введенного из N-1 оптического разветвителя соединен с входом соответствующего из N-1 оптического датчика посредством волоконного световода, выход каждого из N оптического датчика соединен со вторым входом соответствующего из N оптического объединителя посредством волоконного световода, причем первый вход каждого предыдущего из N оптического объединителя соединен с выходом каждого последующего соответствующего из N оптического объединителя, выход первого из N оптического объединителя соединен с входом оптического ответвителя посредством волоконного световода, первый выход оптического ответвителя соединен с входом первого фотоприемника посредством волоконного световода, второй выход оптического ответвителя соединен с входом циркулятора посредством волоконного световода, первый выход циркулятора соединен с оптическим фильтром посредством волоконного световода, второй выход циркулятора соединен с входом второго фотоприемника посредством волоконного световода, выходы первого и второго фотоприемника соединены с первым и вторым входами контроллера определения температуры соответственно посредством электрических проводов, источник лазерного излучения выполнен широкополосным, а каждый оптический датчик выполнен на основе волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми сдвигами.

2. Волоконно-оптический термометр по п. 1, отличающийся тем, что каждый оптический датчик, выполненный, на основе волоконной решетки Брэгга содержит, по меньшей мере, два фазовых π-сдвига, симметрично расположенных относительно ее центральной длины волны, и разнесенных на величину Δλ.

3. Волоконно-оптический термометр по п. 2, отличающийся тем, что в оптических датчиках разнос фазовых сдвигов Δλ_i≠Δλ_j, где i и j - номера оптических датчиков, i, j∈N, где N - множество оптических датчиков, при этом разность Δλ_i-Δλ_j не равна и не кратна в целом и частном Δλ_i и Δλ_j.