Волоконно-оптический пороговый датчик температуры Советский патент 1990 года по МПК G01J5/02 G01K9/00 

Изобретение относится к оптике, а частности, к регистрации температуры с помощью оптических средств, и может быть использовано, например, в системах дистанционного контроля.

Цель изобретения - повыщение чувствительности датчика.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Источник 1 излучения оптически связан с входным волоконным световодом 2. Между выходным торцом входного волоконного световода 2 и входным торцом выходного волоконного световода 3, установленными на расстоянии d друг от друга, определяемом из уравнения, представленного в формуле изобретения, помещается термочувствительный элемент 4 из материала, обладающего фазЬвым переходом в диапазоне чувствительности датчика. Термочувствительный материал полностью заполняет.зазор между торцами волноводов. Выходной волокон- ный световод 3 оптически связан с фотопри- емником 5, соединенным со схемой 6 регистрации. Может быть реализован и датчик отражательного типа. В этом случае величина зазора d, определяемая из приведенного уравнения, должна быть уменьшена в 2 раза.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 1 излучения вводится во входной волоконный световод 2 и далее поступает на термочувствительный элемент 4, представляющий собой материал, испытывающий фазовый переход. При

XJ

u

температуре выше температуры фазового перехода термочувствительный материал i находится в жидком изотропном состояни;1 I и обладает высокой прозрачностью с функ- I цией пропускания Тж ( d )При температуре I ниже температуры фазового перехода тер- I мочувствительный материал элемента 4 находится в кристаллическом состоянии с функцией пропускания Тк (d).

Переход из жидкого состояния в кристаллическое сопровождается резким увеличением рассеяния и поглощения излучения в термочувствительном материале, что приводит к уменьшению доли оптической мощности, поступающей в выходной волоконный световод 3. Изменение оптической мощности на выходе выходного световода регистрируется фотоприемником 5, сигнал которого поступает на схему 6 реги- ..

Для достижения минимального порога чувствительности датчика зазор d между торцами волоконных световодов должен быть таким, чтобы при этом выражение

VrbTdl д -f- принимало минимальное значение,

1т W

Здесь в линейном приближении 5 г ... Тж ( d )-тк (d)

TTW;AT

где AT - температурный интервал фазового перехода термочувствительного материала, а функция Го (d) определяется

rж(d)-Ьrк(d} выражением .

Волоконные световоды юстируются и устанавливаются так, чтобы толщина зазора между выходным торцом входного волоконного световода и входным торцом выходного волоконного световода была оптимальной и величина ее определялась из уравнения, приведенного в формуле изобретения. В зазоре располагается термочувствительный элемент. В качестве термочувствительного элемента может использоваться парафин {смесь предельных углеводородов СпН2п+2). Величина оптимального зазора в зтом случае получается примерно равной 140 мкм.

При практической реализации конструкции датчика фазовый переход парафина из кристаллического состояния в жидкбе происходит в узком интервале температур 0,6°С при достижении температуры фазового перехода То-45°С. При этом функция пропускания датчика пороговым образом меняется, и минимум порога чувствительности датчика по уровню дробового шума составляет величину, равную 0,9 10 °С. Датчик может быть использован как датчик предельного нагрева на То 45°С. Может быть реализован также датчик, в качестве термочувствительного элемента которого

применяется вода. Величина оптимального зазора составляет для датчика с таким термочувствительным элементом величину d 200 мкм. Функция пропускания в интервале температур шириной АТ 0,3°С резко уменьшается, и порог чувствительности такого датчика по уровню дробовых шумов равен 0,7..

Устройство может найти широкое применение как датчик обмерзания, например,

в линиях высоковольтных передач. Формула изобретения Волоконно-оптический пороговый датчик температуры, содержащий оптически связанные между собой источник излуче. ния, входной волоконный световод, термочувствительный элемент, выходной волоконный световод и фотоприемник с подключенной к его выходу схемой регистрации, причем термочувствительный элемент выполнен из материала, обладающего фазовым переходом в диапазоне чувствительности датчика и заполняющего зазор между торцами входного и выходного волоконных световодов, отличающийся тем, что с целью

повышения чувствительности датчика, величина зазора d между торцами входного и выходного волоконных световодов, заполненного материалом термочувствительного элемента, выбрана из условия, что выражение

AT-V1/2 Tж(d)-ЬTк(d)/ (d)-rк(d)

имеет минимальное значение, где АТ - температурный интервал фазового перехода материала термочувствительного элемента rx(d)nTK(d)- функции пропускания материала термочувствительного элемента на

длине волны излучения источника при заполнении зазора размером d соответственно жидкой и кристаллической фазой материала.

Изобретение относится к оптике, в частности к области измерения температуры с помощью оптических средств, и может быть использовано в системах дистанционного контроля. Цель изобретения - повышение чувствительности датчика. Повышение чувствительности датчика, содержащего источник излучения, входной волоконный световод, термочувствительный элемент, выходной волоконный световод, фотоприемник и схему регистрации, достигается выполнением термочувствительного элемента с оптимальным зазором, заполненным материалом, обладающим фазовым переходом в диапазоне чувствительности датчика ΔТ.Оптимальная величина зазора α определяется достижением выражения ΔТ/[Τ_ж^.(D)-R_к(D)^.√Τ_ж(D)+δ_к(D)]/2 минимального значения при данном значении D. Затем Τ_ж и Τ_к - функции пропускания термочувствительного элемента в жидком и в кристаллическом состояниях соответственно. 1 ил.