Многоточечный волоконно-оптический датчик параметров жидких сред Советский патент 1992 года по МПК G01D5/26 

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических системах сбора, передачи и обработки информации.

Известен волоконно-оптический датчик для измерения параметров исследуемых объектов (ускорения, давления, вибрации, электрического и магнитного полей и т, д.), содержащий корпус, в котором закреплен ВС с изгибом вблизи его выходного торца для увеличения угловой расходимости выходящего из ВС излучения.

Недостатком известного волоконно- оптического датчика является то, что он предназначен для измерения только абсолютных значений измеряемых параметров и не позволяет следить за их изменением непосредственно в процессе протекания химических реакций или при других динамических процессах.

Известен волоконно-оптический датчик, содержащий источник излучения, оптически сопряженный с волоконным световодом (ВС), на котором установлены с помощью ответвителей по меньшей мере два торцовых чувствительных элемента (ЧЭ) и опорные каналы (ОП) по числу ЧЭ, причем одно плечо ответвителя: представляет собой ЧЭ, а другое, оптически сопряженное с фотоприемным устройством (ФУ) и регистрирующей аппаратурой, передает измеряемый оптический сигнал с ЧЭ; третье плечо, также оптически сопряженное с другим ФУ и регистрирующей аппаратурой, является опорным каналом.

Известный многоточечный волоконно- оптический датчик позволяет измерять градиент изменения параметров физико- химических характеристик исследуемых жидкостей, например градиент температуры, показателя преломления (ПП), концентрации или изменения прозрачности жидкости.

Таким образом, известный датчик позволяет следить за изменением физико-химических характеристик жидкостей во времени, т. е. непосредственно в процессе протекания химических реакций или при других динамических процессах.

Кроме того, известный датчик нечувствителен к электромагнитным наводкам, имеет высокое быстродействие, обусловленное большой скоростью распространения света и может работать в агрессивных средах, что делает его привлекательным для исследования динамики химических процессов в биологии и медицине.

Однако известный датчик имеет ряд существенных конструктивных недостатков. А именно - наличие ответвителей, как.правило, приводит к нарушению внутренней структуры оптического волокна и, как следствие этого, к потерям излучения в ответви- теле, которые ослабляют оптический сигнал

и приводят к снижению чувствительности датчика. Недостатком датчика является использование в качестве измерительного сигнала френелевского отражения от торца ВС измерительного плеча ответвителя.

0 Мощность измеряемого оптического излучения в этом случае составлять не более 4% от мощности оптического излучения, поступающего в измерительное плечо волоконного ответвителя с ЧЭ на конце. Это, в свою

5 очередь, приводит к. необходимости использовать мощные источники излучения, наличие которых повышает энергоемкость, стоимость и габариты устройства.

Целью изобретения является повыше0 ние чувствительности и расширение функциональных возможностей многоточечных волоконно-оптических датчиков,

Поставленная цель достигается тем, что в многоточечном волоконно-оптическом

5 датчике градиента физических параметров жидких сред, содержащем источник излучения, оптически сопряженный с основным волоконным световодом, на котором установлены по меньшей мере два чувствитель0 ных элемента и опорные каналы по числу чувствительных элементов, выходы которых . и выходы опорных каналов оптически сопряжены с фотоприемными устройствами, выходы которых подключены к измеритель5 ным устройствам, чувствительные элементы выполнены на основном волоконном световоде в виде изгибов радиусом, удовлетворяющим соотношению R RKp, где RKP р + (г/а) пс/(пс - nQ) -. (а - 2), где пс и

0 г - максимальный показатель преломления и радиус сердцевины;

п0 и р- показатель преломления светоотражающей оболочки световода и ее внешний радиус;

5а - показатель степенной функции,

описывающей профиль показателя преломления сердцевины световода, причем к каждому из изгибов пристыкован дополнительный волокнистый световод, установлен0 ный в плоскости изгиба по касательной к нему, причем диаметр дополнительного волоконного световода выбирается с учетом соотношения ОДОп. 1000сн., где DOCH. - диаметр основного волоконного световода.

5 На расстоянии не больше двух диаметров дополнительного волоконного световода от каждого из изгибов перпендикулярно плоскости их расположения установлена отражающая поверхность, например зеркальная, а каждый опорный канал установлен на участке основного волоконного световода перед соответствующим чувствительным элементом.

С целью повышения эффективности работы датчика опорный канал сформирован в виде освобожденного от покрытия участка основного волоконного световода, в качестве фотоприемного устройства опорного канала используется фоточувствительная пластина с отверстием в центре, через которое пропущен волоконный световод опорного канала таким образом, что его освобожденная от покрытия часть находится со стороны рабочей поверхности фоточувствительной пластины.

Кроме того, опорный канал снабжен сферическим зеркалом, в вершине которого расположено отверстие, через которое пропущен волоконный световод опорного канала таким образом, что его освобожденная от покрытия часть находится внутри сферического зеркала, основание которого состыковано с рабочей поверхностью фоточувствительной пластинки, а их площади равны.

На фиг. 1 представлена оптимальная конструкция опорного канала (ОП) датчика и схема для определения градиента физико- химических свойств жидкостей; на фиг. 2 - датчик, вариант конструктивного исполнения; на фиг. 3 - опорный канал (ОП).

Предлагаемый датчик (фиг. 1) содержит источник 1 излучения, сопряженный с основным ВС 2, из которого формируется ОП 3, сигнал с которого поступает на фотоприемное устройство (ФУ) 4 и измерительное устройство (ИУ) 5, корпус 6, содержащий первый чувствительный элемент 7. который состоит из изгиба 8 основного ВС 2, дополнительного ВС 9 и зеркальной поверхности 10, сигнал с дополнительного ВС 9 поступает на ФУ 11 и ИУ 12, второй чувствительный элемент 13, который состоит из изгиба 14 основного ВС 2, дополнительного ВС 15 и зеркальной поверхности 1 б, сигнал с дополнительного ВС 15 поступает на ФУ 17 и ИУ 18, перегородку 19, два отверстия для подачи 20 и слива 21 исследуемой жидкости, перед изгибом 14 из основного ВС 2 сформирован ОП 22, содержащий соединенные последовательно фотоприемное устройство 23 и измерительное устройство 24. ОП 3 и ОП 22 могут быть сформированы различным образом. Например, путем снятия защитного покрытия с участка основного ВС 2 и вытекания части оптического излучения из него. С целью повышения эффективности работы датчика в качестве фотоприемного устройства 23 опорного канала используют,

фоточувствительную пластинку 25 фоточувствительного элемента ФЭ (фиг. 3). В центре фоточувствительной пластинки ФЭ выполнено отверстие 26.

Участок основного ВС длиной не более

5 мм освобождается от оболочки и пропускает через отверстие 26 фоточувствительной пластинки 25 таким образом, чтобы освобожденная от оболочки часть 27 ВС ос-

новного канала находилась со стороны рабочей поверхности фоточувствительной пластинки 25.

Кроме того, для дальнейшего повышения эффективности опорного канала он

снабжен сферическим зеркалом 28, в вершине которого расположено отверстие, через которое пропущен ВС опорного канала таким образом, что освобожденная от оболочки часть ВС расположена внутри сферического зеркала 28, радиус которого не больше радиуса фоточувствительной пластинки 26. Основание зеркала 28 состыковано с рабочей поверхностью фоточувствительной пластинки 25 фоточувствительного элемента

опорного канала.

При изготовлении изгибов 8 и 14 защитное покрытие удаляется только на участке изгиба, Радиусы изгибов основного ВС 2 соответствуют соотношению R RKp, гдеКкр

определяется по формуле

Нкр р + (г/а) пс/(пс - по) - (а - 2) (1) где пс, г - максимальный ПП и радиус сердцевины;

п0 и р-ПП светоотражающей оболочки

световода и ее внешний радиус,

а - показатель степенной функции, описывающей профиль ПП сердцевины световода.

Для градиентного кварц-кварцевого ВС

RKp 1,2 мм (радиус сердцевины г 25 мкм, радиус оболочки р 62,5 мкм).

Зеркальная поверхность чувствительного элемента 7 и 13 введена в устройство для повышения эффективности работы иустановлена на расстоянии не большем, чем два диаметра дополнительного ВС и перпендикулярного плоскостям, в которых расположены изгибы 8 и 14 (фиг. 2).

Как видно из фиг. 2, датчик находится в

корпусе 6, выполненном из химически стойкого материала, например пластика. Изгибы 8 и 14 датчика формируются пропусканием основного ВС 2 через специальные отверстия, которые затем герметизируются, Корпус 6 снабжен отверстиями для подачи 20 и слива 21 исследуемой жидкости. Один чувствительный элемент может быть изолирован от другого чувствительного элемента с помощью перегородки 19.

Датчик работает следующим образом.

Сигнал от источника 1 излучения поступает по ВС 2, на котором сформирован ОП 3, сигнал с которого регистрируется ФУ 4 и ИУ 5. Далее излучение проходит изгиб 8 основного ВС 2. Вытекающее на изгибе излучение попадает в дополнительный ВС 9, сигнал с которого регистрируется ФУ 11 и ИУ 12. Зеркальная поверхность 19 позволяет увеличить величину сигнала с первого чувствительного элемента 7. Сигнал с ЧЭ 7 зависит от ПП жидкости между изгибом 8 и торцом дополнительного В С 9. Далее, излучение поступает на ОП 22, который сформи- рован из ВС 2, сигнал с которого регистрируется ФУ 23 и ИУ 24. Во втором чувствительном элементе 13 излучение по ВС 2 проходит изгиб 14, вытекающее излучение попадает в дополнительный ВС 15, сигнал с которого регистрируется ФУ 17 и ИУ 18. Зеркальная поверхность 16 позволяет увеличить величину сигнала с ЧЭ 13. Сигнал второго чувствительного элемента 13 будет зависеть от ПП жидкости, находящейся между изгибом 14 и торцом дополнительного ВС 15. Если изгиб находится в жидкости с показателем преломления ПП, то можно записать

п ги n0exp -(a + r)/R,(2)

где По - ПП вещества оболочки ВС,

г и р- радиусы сердцевины и оболочки, тогда на границе оболочка - внешняя среда выполняется условие полного внутреннего отражения и потери, вносимые изгибом, будут определяться, как величиной п, так и радиусом изгиба R. Плавно меняя ПП жидкости п при R фиксированном, получают любое значение для затухания на изгибе, которое может иметь значение от 0 до 1 дБ. ПП жидкости (для изгиба с фиксированным радиусом R RKp, где RKp Т,2 мм) определяется как мощность вытекающего излучения с самого изгиба, так и мощностью излучения, попадающего из изгиба в дополнительный ВС. Доля мощности излучения Т, вводимого в сердцевину дополнительного ВС при рассмотрении лучей, распространяющихся практически параллельно оси дополнительного ВС, т. е. нормально к его торцу, для ВС со ступенчатым ПП сердцевины описывается выражением:

Т 4п0 п/(пс+. п)2,(3)

где ric ПП сердцевины дополнительного В С; п - ПП окружающей изгиб жидкости,

С учетом френелевского рассеяния от торца дополнительного ВС в воздухе (при п 1,00 и пс 1,45) не менее 96% вытекающего из изгиба нормального к торцу ВС

0

излучения, вводится в сердцевину вспомогательного ВС.

Допустим, что сигнал, получаемый на выходе дополнительного ВСс помощью ФУ и ИУ, есть I, а сигнал, получаемый с фотоприемного устройства ОП есть АI. Тогда, естественно предположить, что отношение интенсивности излучения на выходе дополнительного ВС I к сигналу ОП АI пропорци- онально доле мощности, вводимой в сердцевину дополнительного ВС, т. е.

.(4)

Подставляя (4) в (3), получим для дополнительных В С изгибов 1-го и (1 + 1)-го следующее соотношение:

1| + 1 .„ Т|„ П

Д1ГД1|+1 КТ,+1 К

-/nj+1

nc H-ni+lV

. nc+n, ,

где пс - есть ПП сердцевины дополнительных ВС изгибов i-ro и (i + 1)-го; г и m+i есть ПП исследуемых жидкостей, находящихся в изолированных перегородкой кюветах i и

0 + 1)й (Фиг- 2); К - безразмерный коэффициент; li и II-H - сигналы с фотоприемных устройств ФП{ и ФПн-i вспомогательных световодов изгибов i-ro и (i + 1)-ro; Ah и Ali-и - сигналы с фотоприемных устройств

опорных каналов изгибов i-ro и (i + 1)-го.

Следовательно, из (4) ясно, что, зная величины h/Alj, lj+i/Alj+i, nc и гн, можно определить неизвестную величину ПП окружающей.изгиб жидкости.

Датчик благодаря малому значению затухания излучения на изгибе (порядка 1 дБ), может иметь от двух ЧЭ до десятка ЧЭ на одном основном ВС. Это дает возможность определить градиент физических параметров (ПП, температуру и др.).

Первоначально проводят измерения для определения коэффициента формулы (5). Для этого в кюветы i и (i + 1) заливают дистиллированную воду объемом v 4 мм3

с ПП nb 1,3319 при температуре окружающей среды равной 20°С. Измеряют значения li, Д||, ln-1,- Д1н-1 и подставляют в формулу (5), откуда получают значение для безразмерного коэффициента К 0,8.

Для проверки работоспособности датчика используют растворы сахара с концентрациями 0,1 - 1,0% и со значениями ПП 1,3318 - 1,3330 соответственно. Было получено, что для кюветы (i + 1) изменение показателя преломления раствора сахара на д п 10 вызывает изменение напряжения д I 0,3 мВ на выходе дополнительного ВС при отношении сигнал/шум . Причем зависимость I f(n) имеет линейный вид.

Необходимо отметить, что применение термостатирования датчика сделает возможным измерять величины порядка 5 п 107.

Согласно вышеизложенному, данный датчик прост в изготовлении, помехозащи- щен, имеет малую массу и позволяет производить измерения с высокой точностью. Устройство может быть эффективно применено для контроля технологических процессов в труднодоступных местах, химико-биологических исследованиях, проходящих с изменением физико-химических параметров жидкостей.

Формула изобретения

Многоточечный волоконно-оптический датчик параметров жидких сред, содержащий источник излучения, оптически связанный с основным волоконным световодом, на котором последовательно расположены по крайней мере два чувствительных элемента и в котором смонтированы опорные каналы по числу чувствительных элементов, выходы которых оптически связаны с фотоприемными устройствами, причем чувствительные

элементы погружены в исследуемую жидкость, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых параметров, он содержит дополнительные световоды по числу чувствительных элементов, выходы которых оптически связаны с дополнительными фотоприемными устройствами, а каждый чувствительный элемент выполнен в виде изгиба основного световода, при этом соответствующий дополнительный световод связан оптическим входным торцом с изгибом основного световода так. что торец каждого дополнительного световода расположен по касательной в плоскости изгиба основного световода, причем диаметр сердцевины дополнительного световода превышает по крайней мере в 10 раз диаметр сердцевины основного световода, а на расстоянии не более удвоенного диаметра сердцевины дополнительного световода от каждого из изгибов расположено оптически связанное с ними плоское зеркало.

Сущность изобретения: в многоточечном волоконно-оптическом датчике пара2метров жидких сред чувствительные элементы 7 и 13 выполнены на основном волоконном световоде (ВС) 2 в виде изгибов 8 и 14. К изгибу 8 (14) пристыкован дополнительный ВС 9 (15), установленный в плоскости изгиба по касательной к нему. Диаметр Одоп дополнительного ВС выбирается с учетом соотношения ОДОп. «Ј ЮОосн., где DOCH. - диаметр основного ВС 2. На расстоянии не больше двух диаметров дополнительного ВС от изгиба 8 (14) перпендикулярно плоскости его расположения установлена отражающая поверхность 10 (16), например зеркальная, а каждый опорный канал 3 и 22 расположен на участке основного ВС 2 перед соответствующим чувствительным элементом 7 или 13. 3 ил. сл