Устройство для измерения температуры Советский патент 1983 года по МПК G01K11/32 

СО

о

чэ ;л

эо

&0

(puz. f

Изобретение относится к измерительной технике-и может быть исполь-. зовано для измерения температуры в различных отраслях промышленности.

Известны устройства для измерения температуры, содержащие источник света, термочувствительный полупровояниковый элемент, фотоприемник и волоконный световод, включающий осветительный и измерительный световолоконные жгуты, первьой из которых расположен между источником света и термочувствительны / полупроводниковым элементом, а второй между термочувствительным полупроводниковым элементом и, фотоприемником 1 .

Принцип действия таких устройств состоит В.ТОМ, что излучение от источника света распространяется по осветительному световоду и входит в термочувствительный полупроводни ковый элемент, поглощение света в которой меняется в зависимости от температуры. Измерительный светоВод воспринимает отраженный сигнал i и передает его к фотоприемнику. При этом интенсивность сдета,. восприни-/. мая фотоприемником, пропорциональна температуре среды, окружающей термочувствительный полупроводниковый элемент.

Недостатками этих устройств являются низкая точность измерения температуры, обусловленная большими потерями излучения внутри термочувствительного полупроводникового элемента, а также большая инерцион- . ность устройств, связанная с большой теплоемкостью полупроводникового элемента.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержащее источник света, фотоприемник, оптически связанный с ними волоконный световод и термочувствительный датчик, выполненный в .виде участка волоконного световода 2 .

Недостатком известного устройства является узкий диапазон измеряемых температур, обусловленный малым интервалом изменения показателей преломления световода в зависимости от температуры.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых температур.

Эта цель достигается тем,, что в . известном устройстве, термочувствительный датчик легирован ионами .редкоземельного элемента, а фотоприемник выполнен узкополосным с максимумом спектральной чувствительности на длине волны, соответствующей линии погло1йения ионов. редкоземельного элемента. Концентрация ионов

редкоземельного элемента находится в пределах от 0,1 до 30 вес.%.

На фиг. 1 приведена схема выполнения устройства для измерения температуры, оптически связанные световодом источник света, фотоприемник и термочувствительный датчик на фиг. 2 - схема выполнения устройств для измерения температуры, в которо осветительный и измерительный участки световода совмещены.

Устройство содержит источник 1 оптического излучения, фотоприемник 2, оптический связывак1Ц|Ий их волоконый световод 3 и термочувствитель-. ный датчик 4, выполненный в виде участка указанного волоконного световода, легированного ионами редкоземельного элемента. Волоконный световод имеет осветительный 5 и измерительный б участки. Фотоприемник выполнен узкополосным с максимумом спектральной чувствительности- на длине волны, соответствующей одной из линий поглощения ионов названного редкоземельного элемента, обусловленной переходами с неосновного урозвня энергии.

На фиг. 2 показано устройство, в котором осветительный 5 и измерител ный б участки волоконного световода 3 совмещены.

Устройство дополнительно содержит отражающее покрытие 7 на торце датчика 4 и светоделительную пластину 8, ответвляющую часть отраженного светового потока на фотоприемник.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение от источника 1 (фиг. 1 ) через участок 5 световода 3 попадает на участок 4, легированный ионами редкоземельного элемента. В спектре пропускания легированного участка 4 имеются полосы поглощения, обусловленные переходами между энергетическими уровнями ионов редкоземельного элемента. Интенсивность полосы поглощения, .обусловленной переходами с неосиовиого уровня энергии, пропорциональна заселенности этого уровня, заселенность изменяется с температурой и может быть определена по формуле Больцмана.

Если температура окружающей среды изменится, например, повысится, то на длинах волн, соответствующих переходг1М между неосновными уровнями энергии, иа легированном участке 4 увели.тся коэффициент поглощения оптического излучения, что приведет к уменьшению сигнала, поступающего через измерительный участок б на фотоприемник .2.

Изменение интенсивнЪсти поступающего на фотоприемник оптического излучения на длине волны, соответствующей переходу с неосновного уровня энергии ионов используемого в датчике 4 редкоземельного элемента находится по формуле. 4Е М JL) Т , A-TjJ где TQ - температура, при которой производилась градуиров . / кй; Т - измеряемая температура/ 3 - интенсивность оптическог излучения на указанной длине волны, поступающего на фотоприемник при измеряемой температура; Q интенсивность оптическб го излучения на указанно длине волны, поступгиощего на фотоприемник при температуре Тд ; XQ - коэффициент поглощения термочувствительного датчика на указанной щги не волиы при температуР TQ i It - постоянная Больцманал ДЕ - разиость энергий между основньм и тем неосновным состояниями, перехо«дам с которого соответствует выбранная длина волны, и следовательно, чувствительность термочувствительного датчика 4 пряМО пропорциональна поглощению Хц. Поглевцение в свою очередь пропорцио н 1Льно длине датчика и концентрации легирующих ионов редкоземельного -элемента. Выбранный нижний предел концентрации указанных ионов, соста ляющий 0,01 вес.%/ соответствует .наличию полос поглощения, интенсив, ность KOTOpiix находится на уровне :серых потерь оптического излучения при распространении его по световоду. При концентрации менее 0,01 вес полош поглощения трудно обнаружимы j В Ьлучаё, когда датчик необходи: МО сделать максимгшьно коротким, чтобы поглощение х не было мгшым, ;требуется как можно большая концент рация ионов редкоземельного элемента, однако технология изготовления оптических волокон не позволяет ввести легирушцие добавки с концент рацией более 30 вес.%, что тем самым определяет верхний предел по концентрации легирующих ионов. Помимо коэффициента поглощения, чувствительность датчика зависит также и от величины разности энергий дЕ . Чувствительность датчика максимальна при температуреТ( Величина разности энергий АЕ между основным и неосновньо4 состояниями различна для ионов разных редко-. Земельных элементов, что дает возможность создания набора , легированных ионами различных редкоземельных элементов, перекрывающих в сумме температурный диапазон от 30 до . Например, в датчике легированнсзм ионами полос поглощения, обусловленных переходами с F уровня, дЕ 200 и чувствительность максимальна пРИ мако , этот датчик может использоваться в температурном диапазоне от 30 до 250 К. Для полос поглощения, обусловленных пёреходат ми с F2 уровня иона : би, ЛЕ 900 см- и Т„.а,. 300 К. Для датчиков, легированных ионами Sm, Для полос поглоще1шя, обусловленных переходами с i/z УРОВНЯ, 4е 1000 см-,Т;«акс , датчик может использоваться от 150 до 900. Для полос поглощения иона Л4. - . -.«.. StnVE 2500 см-ЛТ; с,кс . Для датчиков, легированных ионами Ы, для полос поглощения, обусловленных переходами с i уровня ДЁ 2000 (д 700°К, диапазон измеряемых температур от 400 до . Датчики могут быть изготовлены из любого материала, используемого при изготовлении волоконных световодов. Верхний предел измеряемых температур равен температуре, разрушения световодов из наиболее термостойкого материала - кварца. Устройство, представленное на фиг. 2, работает аналогично устройству, представленному на фиг. 1. Отличительными особенностями являются следующие: оптическое излучение после прохождения через датчик 4 отражается от отражающего покрытия 7,расположенного на торце датчика 4, вторично проходит через датчик 4 и па волоконному световоду 3 поступает на светоделительную пластину 8,которая отражает часть оптического излучения на. фотоприемник.2. Измерительная часть устройства малогабаритна, что позволяет использовать предлагаемое устройство для измерений температуры труднодоступных объектов, а выполнение термочувствительного датчика из материалов (кварц, стекло и т.п.Ь стойких к воздействию агрессивных сред (кислота , щелочи и т.д.), позволяет использовать предлагаемое устройство в химической промышленности. Термочувствительный датчик выполняется диэлeктpи тecким, поэтому на

его показание не влияют электрические, элёктромэгнитные и СВЧ-поля. В связи с этим устройство может быть

применимо для контроля температурных режимов СВЧ-генераторов и другой электронной аппаратуры.

at.i