Устройство для измерения температуры Советский патент 1981 года по МПК G01K11/32 

Изобретение относится к термомет-рии. Известно устройство для измерения температуры, содержащее источник светового излучения, соединенный световодом с фотоприемником, термочувствительный элемент СО Однако известное устройство не обладает требуемой чувствительностью из-за больших потерь излучения внутри термочувствительного элемента, а . также из-за того, что свет в нем распространяется расходящимся пучком Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения температуры содержащее источник светового излучения, соединенный волоконным световодом с фотоприемником, термочувствитег льный элемент ГзЗ . Устройство обладает более высокой чувствительностью, однако она является недостаточной из-за потерь светового излучения в полупроводниковом термочувствительном элементе, который повьшает и инерционность устройства. Цель изобретения - повышение чувствительности при одновременном сни - жении инерционности устройства. Для достижения цели термочувствительный элемент выполнен в виде участка волоконного световода, имеющего по крайней мере, один.изгиб с радиусом кривизны R, определяемым соотношением « .и 2-- Р (1) где Пд - показатель преломления материала сердцевины световода;ГЦ - показатель преломления материала оболочки световода; Р - радиус кривизны сердцевины световода; г - внешний радиус кривизны оболочки световода. На внешнюю поверхность изогнутого частка световода нанесено покрытие, ыполненное из материала, показатель прелог1ления которого меняется от тем пературы. Для низкотемпературного диапазона в качестве материала покрытия световода используется силиконовая резина а для высокотемпературного - пленка хлористого натрия. Изогнутый участок световода выпол нен в виде спирали. На фиг. 1 изображено схематически устройство, общий вид; на фиг. 2 термочувствительный участок световод на фиг. 3 - термочувствительный элемент; на фиг. 4 - зависимость выходного сигнала устройства от температу ры измеряемого объема. Устройство содержит источник J св тового излучения, фотоприемник 2, ос ветительный 3 и измерительный 4 уча ки световода, термочувствительный элемент 5, вьтолненный в виде изогнутого участка световода, покрытие 6, выполненное из материала, показатель преломления которого сильно зависит от температуры, сердцевину 7 волоконного световода, оболочку На фиг. 4 представлены экспериментальные зависимости выходного сигнала устройства от температуры измеряемого объекта, например керосина, для различных радиусов изгиба термочувствительного элемента, выполненного в виде изогнутого учас ка световода. Устройство работает следующим образом. Световое излучение от источника 1 поступает в осветительный участок 3 световода из оптического волокна с сердцевиной 7 и оболочкой 8 и рас пространяется преимущественно по сердцевине 7 за счет явления полног внутреннего отражения на границе сердцевина-оболочка. На участке 5 с изгибом, радиус R которого удов летворяет указанному выше соотношению, световое излучение выходит из сердцевины 7 и распространяется по .оболочке 8. В оболочке 8 световое излучение распространяется веером лучей, пада щих на границу оболочка 8 - внешняя среда 9 (фиг. 2), в некотором диапа зоне углов. Те лучи, которые падают на указанную границу под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения для данной внешней среды и при данной температуре, выходят из оболочки 8 во внешнюю среду 9. 4 Остальные лучи, отразившись на границе раздела оболочка - внешняя среда, в силу симметрии световода и принципа обратимости светового луча, возвращаются назад в сердцевину 7 и распространяются по измерительному участку 4 (фиг. 1 и 3) волоконного световода к фоТоприемнику 2. Если температура внешней среды 9 изменяется, например повьниается, то изменяется показатель преломления внешней среды 9. Повьшшние температуры чаще всего приводит к уменьшению показателя преломления внешней среды 9. Такое уменьшение показателя преломления изменяет величину угла полного внутреннего отражения. При этом часть лучей, которые выходят из оболочки 8 во внешнюю среду 9, отражаются от указанной границы раздела и возвращаются в сердцевину на измерительном участке 5 волоконного световода. Это увеличивает световой поток, падающий на фотоприемник 2, т.е. увеличивается сигнал поступающий с ус1ройства. Если температура внешней среды уменьшается, это приводит к увеличению - внешняя среда и, следовательно, к выходу во внешнюю среду части излучения, ранее остававшееся в световоде. Таким образом, световое излучение, падающее на фотоприемник, уменьшается, пропорционально ему уменьшается и сигнал устройства для измерения температуры. Меняя радиус R изгиба участка 5 волоконного световода, при условии выполнения соотношения (1), можно изменять диапазон углов падения на границу раздела оболочка - внешняя среда тех лучей, которые распространяются в оболочке 8, И, следовательно, менять диапазон измерения температуры в конкретной внешней среде 9. Так как для измерения температуры используется физическое свойство (показатель преломления) тела, температура Которого измеряется, то не требуется дополнительного времени для того, чтобы термометр пришел в тепловое равновесие с внешней средой 9. Для измерения температуры жидких и газообразных веществ, показатель преломления которых в данном интервале температур меняется с изменением температуры незначительно, а также

для измерения температуры твердых тел, поверхность изогнутого участка 5 световода покрыта материгшом 6 (фиг. 1) с показателем преломления, сильно меняющимся в зависимости от температуры в измеряемом интервале температур. В качестве материала покрытия используются различные марки силиконовой резины для температурного диапазона -60 - +150 С, и для высокотемпературного 700-80(ГС пленка хлористого натрия.

Для измерения температур| 1 веществ показатель преломления которых мал (близок к l) термочувствительный участок световода выполняется в виде спирали (фиг. 3). В этом случае устройство работает аналогично описанному.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения температуры, содержащее источник светового излучения, соединенный волоконным световодом с фотоприемником и термочувствительный элемент, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности при одновременном уменьшении инерционности, термочувствительный элемент выполнен в виде участка волоконного световода, имеющего по крайней мере, один изгиб с радиусом кривизны R, определяемым сЪстношением

Пл + Пх

:где по -.показатель преломления материала сердцевины световода; .

п - показатель преломления оболочки световода;

Я - радиус кривизны сердцевины световода;

г - внешний радиус кривизны оболочки световода.

2.Устройство по п. I, о т д ича1ощееся тем, что, с целью расщирения класса измеряемых веществ, на внешнюю поверхность изогнутого участка световода нанесено покрытие, выполненное из материала, показатель

5 преломления которого меняется от температуры .

3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве материала покрытия световода для

0 низкотемпературного диапазона используется силиконовая резина, а для высокотемпературного - пленка хлористого натрия.

4.Устройство по п. 1, о т л и 5чающееся тем, что изогнутый участок световода выполнен в виде спирали.

Источники информации,

0 принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР

№ 574631, кл. G 01 К 11/12,30.09.32.

2.Авторское свидетельство СССР

5

№ 609979, кл. G 01 К П/12, 05.06.78 (прототип).

..

fPu9. 1