Волоконно-оптический датчик температуры на основе термооптического эффекта кремния Российский патент 2024 года по МПК G01K11/32 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к термометрии, в том числе с использованием волоконно-оптических каналов и предназначено для применения в статичных электромагнитных устройствах, таких как силовые трансформаторы, для осуществления непрерывного прямого измерения температуры под напряжением.

Существуют проблемы прямого оперативного измерения температуры обмоток и магнитопровода трансформатора, для быстрого предаварийного диагностирования перегрева высоковольтного оборудования, а также прогнозирования периода межремонтной эксплуатации электрооборудования на основании фактического термического износа изоляции. Использование для прямого контроля температуры обмотки трансформаторов традиционных термопар и термосопротивлений ограничено напряжением 110 кВ ввиду низких диэлектрических характеристик и высоких электромагнитных наводок. Косвенные методы расчета температуры обмоток требуют сложных вычислений и связаны с контролем ряда параметров нагруженности трансформатора, что приводит к высокой вероятности ошибки. Прямой метод измерения температуры обмоток любых трансформаторов возможен при помощи волоконно-оптических датчиков, в первую очередь за счет использования в их конструкции диэлектрических материалов, а также малых размеров от 0,1 до 5 мм, что соответствует зазору между обмотками трансформатора.

Известны волоконно-оптические датчики температуры и системы на их основе, принцип работы которых использует эффект температурного “тушения” флюоресценции (US №5183338, G01K 11/20, G01J 5/08, 2.02.1993,US №6572265 (B1), G01 J 5/08, G01 J 5/28, G01 K 1/14, G01 K 11/20, F 21 V 8/00, G 01 B 6/00, 3.06.2003,US №20060251147A1,G 01 K 1/14, G 01 K 11/3213, 09.11.2006)[1, 2, 3]. Такие датчики содержат капсулу, в которой находится флюоресцирующее вещество, спектр излучения которого зависит от температуры окружающей среды. Капсула связана оптическим волокном с оптическим спектроанализатором, с помощью которого оценивается спектр флюоресценции, а по нему - температура среды. Такие датчики имеют широкий диапазон измеряемых температур, определяемый типом флюоресцирующего вещества, и высокую точность измерений. Однако необходимость применения оптических спектроанализаторов в системе регистрации выходных сигналов этих датчиков существенно усложняет и удорожает их, что является недостатком.

Известна конструкция полупроводникового датчика температуры (US №4136566A,G01К 11/18,30.01.1979)[4], использующего полупроводниковый чувствительный элемент из арсенида галлия, который поглощает энергию монохроматического излучения в зависимости от температуры. Недостатком является использование единичных волокон в качестве доставки оптического сигнала, так как в случае повреждения волокна датчик выходит из строя. Второй недостаток связан с самим принципом измерения температуры, который осуществляется путем оценки спектра излучения, поступающего на приемник излучения, и требует достаточно сложных и дорогостоящих оптических спектроанализаторов. Известна также проблема, связанная с разрушением датчиков от циклического температурного воздействия, это происходит из-за того, что коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) арсенида галлия в 12 раз больше, чем у оптического стекла, из которого выполнен световод.

Прототипом предлагаемого датчика является волоконно-оптический датчик температуры (RU №31447G01К 11/12, 05.11.2001)[5], содержащий оптическое волокно и расположенный на выходном торце оптического волокна термочувствительный элемент из кремния, соединенный с волокном согласующим слоем из окиси кремния. Измерение температуры осуществляется за счет регистрации оптического сигнала, передаваемого по оптическому волокну и отраженного от поверхности термочувствительного элементы из кремния, коэффициент отражения которого изменяется от температуры. Ключевые недостатки датчика заключаются в возможном влиянии термодеформации термочувствительного элемента на отраженный оптический сигнал, а также отсутствие учета температурного дрейфа источника излучения [6]. Использование сложных методов электродугового разряда применяемых для осаждения последовательных слоев окиси кремния и кремния на торце оптического волокна останавливает широкое внедрение этих датчиков в промышленности.

Указанные проблемы решаются за счет того, что в волоконно-оптическом датчике температуры на основе термооптического эффекта кремния, содержащем оптическое волокно и расположенный на выходном торце оптического волокна термочувствительный элемент из кремния, отличающегося тем, что термочувствительный элемент из кремния выполнен в виде плоскопараллельной пластины из кремния, за которой с одной стороны расположено диэлектрическое зеркало, а с другой волоконно-оптическая сборка приема, содержащая от 6 до 15 волокон и волоконно-оптический разветвитель, содержащий от 2 до 5 волокон, одно из которых является контрольным, при этом все элементы склеены оптическим эпоксидным клеем, источником излучения является лазер с длиной волны соответствующей коротковолновому краю поглощения кремния от 900 до 1150 нм, работающий в импульсном режиме, который синхронизирован с приемником излучения, выполненным в виде группы фотодиодов чувствительных к указанному диапазону, причем источник излучения связан со входом волоконно-оптического разветвителя, выход которого соединен с приемником излучения, к которому также присоединен выход волоконно-оптической сборки приема.

На фигуре 1 изображен волоконно-оптический датчик температуры на основе термооптического эффекта кремния, где: 1 - источник оптического излучения, 2 - волоконно-оптический разветвитель, 3 - волоконно-оптическая сборка приема, 4 - плоскопараллельная пластина из кремния, 5 - диэлектрическое зеркало, 6 - приемник оптического излучения с аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором.

Импульсное оптическое излучение с начальной мощностью (P_i) в диапазоне длин волн от 900 до 1150 нм от источника оптического излучения (1) направляется в волоконно-оптический разветвитель, содержащий от 2 до 5 волокон (2), где происходит его разделение на две пропорциональные части одна из которых является контрольной и сразу поступает по одному волокну на приемник оптического излучения с аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором (6), а другая, являющаяся сигнальной, следуя по оптическому тракту, содержащему от 1 до 4 волокон, дважды проходит сквозь плоскопараллельную пластину из кремния (4) благодаря отражению от расположенного за ней диэлектрического зеркала (5), и попадает в волоконно-оптическую сборку приема, содержащую от 6 до 15 волокон (3), по которой доставляется на приемник оптического излучения с аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором (6). Элементы 2, 3, 4, 5 скреплены термостойким оптическим эпоксидным клеем прозрачным в соответствующем диапазоне длин волн.

Технический результат изобретения достигается благодаря реализации термооптического свойства кремния, а именно, смещения коротковолнового края поглощения в сторону длинных волн, которое приводит к изменению амплитуды проходящего сигнала в зависимости от температуры. Расположение волокон приемной сборки вокруг волокон сигнальной части оптического разветвителя устраняет влияние температурной деформации плоскопараллельной пластины из кремния и диэлектрического зеркала на проходящее и отраженное оптическое излучение. Синхронизация контрольной и сигнальной частей оптического излучения поступающих на приемник оптического излучения с аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором (6) минимизирует влияние температурного дрейфа источника излучения и повышает надежность датчика.

Наличие элементов, изготовленных из диэлектрических материалов - кварца, кремния, оксидов металлов для диэлектрического зеркала обеспечивает устойчивость передаваемого по каналам оптического сигнала к воздействию электромагнитного излучения, таким образом, отсутствует искажение сигнала и гарантируется помехозащищенность системы, а также обеспечивается возможность применения в высоковольтном оборудовании.

Использование технологии склейки волоконно-оптического разветвителя, волоконно-оптической сборки приема, плоскопараллельной пластины из кремния и диэлектрического зеркала упрощают процесс массового производства датчиков и делают его доступным для потребителей.

Приведен конкретный пример исполнения волоконно-оптического датчика температуры на основе термооптического эффекта кремния. В качестве источника излучения (1) использован диодный лазер «Эльфолюм №0016» с шириной импульса 50 мс и мощностью 0,2 Вт, на длине волны 1064 нм, при этом волоконно-оптический разветвитель (2) содержал 2 кварцевых волокна с полиимидным покрытием диаметром 100/125/145 мкм (сердцевина/оболочка/защитное покрытие) длиной 3 метра, волоконно-оптическая сборка приема (3), содержала 6 таких же волокон и такой же длины. Сигнальная часть разветвителя и 6 торцов волокон сборки приема были приклеены к одной стороне плоскопараллельной пластины из кремния (4) толщиной 0,5 мм, а с другой стороны приклеено диэлектрическое зеркало (5). Приемник оптического излучения (6) включал 2 фотодиода BPW20RF контрольный и сигнальный, к которым были подключены волокно контрольной части разветвителя и волокна оптической сборки приема соответственно.

Часть датчика содержащая кремний была погружена в масляный термостат и выполнено измерение температуры от 20 до 200°С точность измерений составила 0,2°С.

Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом датчике устранены технологические недостатки, связанные с надежностью и доступностью при сохранении показателей по точности измерения температуры и диэлектрическим свойствам.

[1] US №4136566A, G01К 11/18,30.01.1979.

[2] US №5183338, G01K 11/20, G01J 5/08, 2.02.1993.

[3] US №6572265 (B1), G01 J 5/08, G01 J 5/28, G01 K 1/14, G01 K 11/20, F 21 V 8/00, G 01 B 6/00, 3.06.2003.

[4] US №4136566A,G01К 11/18,30.01.1979

[5] RU №31447G01К 11/12, 05.11.2001

[6] Магунов А.Н., Лукин О.В., Оптические методы измерения температуры полупроводниковых кристаллов в диапазоне 300-800 К, Микроэлектроника. 1996. Т25, №2. С.97-111.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к термометрии, в том числе с использованием волоконно-оптических каналов, и предназначено для применения в статичных электромагнитных устройствах, таких как силовые трансформаторы, для осуществления непрерывного прямого измерения температуры под напряжением. Предлагается волоконно-оптический датчик температуры на основе термооптического эффекта кремния, содержащий оптическое волокно и расположенный на выходном торце оптического волокна термочувствительный элемент из кремния. Термочувствительный элемент из кремния выполнен в виде плоскопараллельной пластины из кремния, за которой с одной стороны расположено диэлектрическое зеркало, а с другой волоконно-оптическая сборка приема, содержащая от 6 до 15 волокон, и волоконно-оптический разветвитель, содержащий от 2 до 5 волокон, одно из которых является контрольным. При этом все элементы склеены оптическим эпоксидным клеем, источником излучения является лазер с длиной волны, соответствующей коротковолновому краю поглощения кремния от 900 до 1150 нм, работающий в импульсном режиме, который синхронизирован с приемником излучения, выполненным в виде группы фотодиодов, чувствительных к указанному диапазону, причем источник излучения связан с входом волоконно-оптического разветвителя, выход которого соединен с приемником излучения, к которому также присоединен выход волоконно-оптической сборки приема. Технический результат - в предлагаемом датчике устранены технологические недостатки, связанные с надежностью и доступностью при сохранении показателей по точности измерения температуры и диэлектрическим свойствам. 1 ил.

Волоконно-оптический датчик температуры на основе термооптического эффекта кремния, содержащий оптическое волокно и расположенный на выходном торце оптического волокна термочувствительный элемент из кремния, отличающийся тем, что термочувствительный элемент из кремния выполнен в виде плоскопараллельной пластины из кремния, за которой с одной стороны расположено диэлектрическое зеркало, а с другой волоконно-оптическая сборка приема, содержащая от 6 до 15 волокон, и волоконно-оптический разветвитель, содержащий от 2 до 5 волокон, одно из которых является контрольным, при этом все элементы склеены оптическим эпоксидным клеем, источником излучения является лазер с длиной волны, соответствующей коротковолновому краю поглощения кремния от 900 до 1150 нм, работающий в импульсном режиме, который синхронизирован с приемником излучения, выполненным в виде группы фотодиодов, чувствительных к указанному диапазону, причем источник излучения связан с входом волоконно-оптического разветвителя, выход которого соединен с приемником излучения, к которому также присоединен выход волоконно-оптической сборки приема.