Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K11/12 

4J6-@

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерений труднодоступных объектов Оптическое излучение с выхода источника 1 излучения, промодулированное модулятором 2, через оптический разветвитель 3 поступает одновременно на чувствительный элемент 5, оптический фильтр 6 и фотодетектор 4 Сигналы с фото детекторе в 7 и 8 поступают на измеритель 9 временных интервалов. Измеритель 9 временных интервалов преобразует относительное временное полжение этих сигналов в код, несущий информацию об измеряемой температуре 2 ил

S5

v|

2

О

Изобретение относится к технике теплотехнических измерений и предназначено для измерения температуры в труднодоступных и удаленных местах, в сильных электромагнитных полях.

Известно устройство для измерения физических величин, содержащее два источника света и блок питания источников света, волоконно-оптический датчик, спектр пропускания которого зависит от измеряемой физичес кой величины, четыре фотоприем- , два светофильтра, два селектора сигналов, схемы отношений, два терморе- гулятора, регистр и два сравнивающих устройства. Для сопряжения источника света с фотоприемниками служат светоделители.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения из-за нестабильности излучения в оптическом тракте волоконно-оптического датчика.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптическое ус- тройство для изменения температуры, содержащее источник излучения, к входу которого подключен модулятор, а его выход через первый волоконный световод соединен с Одним из выводов оптического развет- вителя, второй вывод которого соединен через второй волоконный световоде входом опорного фотодетектора, его третий вывод через третий световод соединен с чувствительным элементом, а четвертый вывод через четвертый световод - с входом сиг- нального фотодетектора и блоком электрон- ной обработки в виде измерителя временных интервалов, к первому и второму входам которого подключены соответственно выходы опорного и сигнального фотодетекторов, а его ыход соединен с индикаторным устройством.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения температуры из-за вносимых неконтролируемых затуханий интенсивности излучения в све- товодном кабеле и разброса потерь в оптических разъемах. Существенно понижается точность измерения широкого диапазона Температур в удаленных от электронного блока точках, так как затухание в оптическом кабеле зависит от температуры окружающей среды.

Цепь изобретения - повышение точности измерения температуры.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры введены последовательно соединенные светофильтр, пятый волоконный световод и фотодетектор, подключенный выходом к

третьему входу измерителя временных интервалов, и шестой волоконный световод, включенный между выходом чувствительного элемента и входом сигнального фотодетектора, при этом светофильтр через четвертый волоконный световод подключен к четвертому выводу оптического разветви- теля.

Введение дополнительного фотодетектора и светофильтра с независимой от температуры полосой пропускания позволяет измерять сдвиг края полосы поглощения чувствительного элемента относительно полосы поглощения светофильтра, повышая точность измерения температуры

На фиг,1 представлена схема предлагаемого волоконно-оптического устройства; на фиг, 2 - временные диаграммы зависимости длины волны от времени, поясняющие работу устройства. Устройство содержит источник 1 излучения, вход которого соединен с модулятором 2. Выход источника 1 излучения через первый волоконный световод Si соединен с входом оптического раз- ветвителя 3 Выводы разветвителя 3 через волоконные световоды $2-54 соединены соответственно с опорным фотодетектором 4, чувствительным элементом 5 и светофильтром 6. Вход сигнального фотодетектора 7 соединен волоконным световодом Se с выходом чувствительного элемента 5, а вход фотодетектора 8 соединен волоконным световодом Ss со светофильтром 6. Фотодетекторы 4, 7 и 8 соединены с измерителем 9 временных интервалов, выход которого соединен с входом блока 10 индикации

Источник 1 излучения выполнен на перестраиваемом лазере, и оптическое излучение на его выходе модулируется по длине волны. Закон модуляции может быть пилообразным в диапазоне от Ai до Кг.

Модулятор 2 - это генератор периодического сигнала, модулирующий длину волны оптического излучения на выходе лазера по заданному закону

Оптический разветвитель 3 делит мощность выходного оптического излучения между тремя выходами с постоянными коэффициентами передачи, не зависимыми от длины излучения. Излучение подводится и отводится от разветвителя 3 многомодовым волоконно-оптическим кабелем.

Чувствительный элемент 5 построен на волоконно-оптическом кабеле, в разрыв которого помещена полупроводниковая пластинка, спектр пропускания которой зависит от температуры (например, пластинка арсенида галлия) При изменении температуры сдвигается по длине волны край полосы поглощения полупроводникевой пластины в пределах от At до -Аа. Конструктивно кабель и пластинка размещены на металлической подложке, которая прижата к контролируемой поверхности. На подложке световод кабеля размещается в V-образной канавке и крепится теплостойким клеем. Пластинка полупроводника располагается перпендикулярно оси оптического кабеля так, чтобы излучение проходило из одного торца световода в другой через пластинку.

Фотодетекторы 4, 7 и 8 могут быть построены на p-i - n-фотодиодах с предварительными усилителями. Выходные электрические сигналы фотодетекторов пропорциональны интенсивности излучения и поступают на измеритель 9 временных интервалов.

Блок 10 индикации выводит информацию о температуре в цифровой форме.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение с выхода источника 1 излучения, промодулированное модулятором 2 пилообразно по длине еолны от AI до А2,через разветвитель 3 поступает одновременно на чувствительный элемент 5, оптический фильтр 6 и фотодетектор 4. Выходное излучение чувствительного элемента 5 и фильтра 6 дополнительно модулируется по амплитуде, так как края полос поглощения элементов 5 и 6 размещаются между длинами волн AI и Кг и при изменении длины волны излучения Я изменяются соответственно коэффициенты поглощения элементов 5 и 6, модулируя по амплитуде выходное излучение.

Электрические сигналы на выходах фотодетекторов 4, 7 и 8 пропорциональны амплитудам излучения на их входах. Временные диаграммы электрических сигналов фотодетекторов 7 и 8 повторяют форму и положение полос поглощения в области длин волн чувствительного элемента 5 и фильтра 6 соответственно Временное положение электрического сигнала на выходе фотодетектора 7 зависит от температуры г чувствительного элемента 5, а сигнал на выходе фотодетектора 8 не изменяется оттемпе- ратуры. Относительное временное положение сигналов на выходах элементов 7 и 8 несет информацию о температуре чувствительного элемента 5. При изменении амплитуды или длины волны излучения лазера изменяются одновременно сигналы на выходах фотодетекторов 7 и 8 так, что относительное временное положение их не меняется.

Опорный электрический сигнал на выходе фотодетектора 1 несет информацию о

затухании в оптическом тракте и используется для компенсации дополнительной погрешности измерения.

5Сигналы с фотодетекторов 7 и 8 поступают на измеритель 9 временных интервалов, который преобразует относительное временное положение этих сигналов в кодовую комбинацию цифровых сигналов, несу10 щих информацию о температуре. Цифровой сигнал поступает на блок 10 индикации, который выводит информацию о температуре чувствительного элемента 5,

Подбирая оптический фильтр и чувстви5 тельный элемент с соответствующими наклонами спадов коэффициентов передачи в области края полосы поглощения (Аф и Ачэ), которые обратно пропорциональны интервалу длин волн ДАчэ и АЯф, где ААчэ и

0 ДАф - область длин волн, в пределах которой коэффициенты поглощения соответственно чувствительного элемента и фияьтра линейно изменяются от 0 до 1, можно уменьшить ошибку измерения температуры. В этом

5 случае погрешность измерения, связанная с неконтролируемыми затуханиями интенсивности излучения в световодном кабеле и оптическом разветвителе, стремится к нулю.

0

Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее последовательно соединенные модулятор, источник излучения,

5 через первый волоконный световод соединенный с первым выводом оптического раз- ветвителя, второй вывод которого подключен через второй волоконный световод и опорный фотодетектор к первому вхо0 ду измерителя временных интервалов, соединенному выходом с входом блока индикации, а вторым входом - с выходом сигнального фотодетектора, третий вывод оптического разветвителя через третий во5 локонный световод подключен к чувствительному элементу, а его четвертый вывод соединен с четвертым волоконным световодом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него вве0 дены последовательно соединенные светофильтр, пятый волоконный световод и фотодетектор, подключенный выходом к третьему входу измерителя временных интервалов, и шестой волоконный световод,

5 включенный между выходом чувствительного элемента и входом сигнальногб фотодетектора, при этом светофильтр через четвертый волоконный световод подключен к четвертому выводу оптического разветвителя

Фиг 2.