Волоконно-оптический измеритель температуры

Волоконно-оптический измеритель температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемый волоконно-оптический измеритель температуры относится к контрольно-измерительным устройствам и датчикам температуры с пониженной чувствительностью к влиянию внешних электрических и магнитных помех и может быть использован для мониторинга приборов и элементов мощных систем электроэнергетики (атомные, тепловые, гидроэлектростанции, распределители электрической мощности, трансформаторные подстанции и др.).

Известны волоконно-оптические измерители температуры, выполненные на основе объемных дифракционных решеток Брэгга (В.Е. Карасик. Измерительное устройство контроля деформации и температуры на основе наноразмерных волоконно-оптических датчиков / Карасик В.Е., Лазарев В.А., Неверова Н.А // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. - 2008. - №58. - С.51-58). Оптический сигнал от широкополосного источника света распространяется по световоду и направляется к сканирующему интерферометру Фабри-Перо. Выходное излучение интерферометра подается на оптический разветвитель, который направляет выходной оптический сигнал от датчика на основе объемных дифракционных решеток Брэгга на фотоприемное устройство, и далее на аналогово-цифровой преобразователь. Недостатками такого устройства являются дороговизна, сложность настройки и юстировки оптической системы измерителя.

Известны волоконно-оптические измерители температуры, действующие на основе температурной зависимости комбинационного (рамановского) рассеяния (http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury).

Структура волоконно-оптической системы измерения температуры включает блок формирования сигнала с частотным генератором, лазер, оптический модуль, приемный блок и блок микропроцессора, а также световодный кабель (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. Частотно-модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль оптоволокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света распространяется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Выполняются спектральная фильтрация обратно рассеянного излучения, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор выполняет расчет преобразования Фурье. Недостатком этого измерителя температуры является высокая стоимость используемого контрольно-измерительного оборудования из-за сложности методики регистрации требуемых параметров вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в волоконных световодах.

Известны волоконно-оптические измерители температуры на основе интерферометров Маха-Цендера и Майкельсона, работающих на эффекте оптического сдвига фазы при изменении температуры [Р.Г. Джексон. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. - 384 с.]. Модулированный оптический сигнал источника света, распространяясь по оптическому волокну, которое, в свою очередь, является чувствительным элементом, реагирующим на изменение температуры окружающей среды, попадает на оптический разветвитель, расщепляющий оптическое излучение на два луча, которые далее либо отражаются от зеркал и попадают обратно в световод (интерферометр Майкельсона), либо в другой световод (интерферометр Маха-Цендера). Два оптических сигнала направляются на фотоприемник и далее на аналогово-цифровой преобразователь. Недостатками таких измерителей являются повышенные требования к точности настройки интерферометров и их значительная стоимость.

Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятый в качестве прототипа является волоконно-оптический измеритель температуры, основанный на эффекте температурного сдвига края спектральной линии поглощения полупроводника, например арсенида галлия (Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Э. Удда. Москва: Техносфера, 2008. - С.151). Модулированный оптический сигнал от источника излучения (лазер, светоизлучающий диод) вводится в волоконно-оптический световод, проходит многомодовый волоконно-оптический разветвитель и попадает на чувствительный элемент, который располагается непосредственно на конце оптического световода. Чувствительный элемент представляет собой структуру «световод-слой полупроводника-зеркало». Отраженный от зеркала оптический сигнал возвращается в многомодовый волоконно-оптический разветвитель и направляется на фотоприемное устройство. Недостатками такого измерителя являются нестабильность работы, обусловленная естественным дрейфом длины волны излучения лазера и дороговизна конструкции, связанная с необходимостью применения узкополосного источника света (лазера) со стабильной длиной волны излучения. Кроме этого, на работу такого датчика сильное влияние оказывают внешние электрические поля, изменяющие оптические свойства полупроводниковой пленки.

Технической задачей, решаемой в заявляемом изобретении, является повышение стабильности работы датчика при воздействии внешних электрических и магнитных полей.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в волоконно-оптическом измерителе температуры, содержащем расположенные по ходу излучения источник света, входное оптическое волокно, датчик, выходное оптическое волокно, фотоприемник, электронную систему индикации выходного оптического сигнала, чувствительный элемент датчика выполнен в виде пластины из пористого стекла, пропитанной органическим веществом с температурой фазового перехода, равной заданной пороговой температуре измерений.

При температурах датчика, меньших пороговой, рабочее вещество в чувствительном элементе датчика находится в твердом поликристаллическом состоянии и интенсивно рассеивает свет, при этом оптические потери излучения, проходящего через такой элемент, значительны. В жидком состоянии рабочего вещества, при температуре среды выше пороговой, оптическое пропускание чувствительного элемента резко возрастает, потери излучения незначительны и обусловлены точностью юстировки оптической схемы датчика и потерями вследствие отражения света на стенках пластины из пористого стекла.

Заявляемое устройство позволяет повысить стабильность измерений температуры при воздействии на чувствительный элемент датчика внешних электрических и магнитных полей, благодаря, во-первых, использованию природных оптико-физических свойств материала самого датчика и чувствительного элемента, не содержащих металлических и полупроводниковых изделий (что исключает помехи, связанные с влиянием токов Фуко), и, во-вторых, несложной конструкции, форме и расположению термочувствительного элемента в датчике волоконно-оптического измерителя температуры.

Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг.1-3, где представлены:

на фиг.1 - общая структурная схема волоконно-оптического измерителя температуры,

на фиг.2 - чувствительный элемент датчика в виде тонкой пластинки из пористого стекла,

на фиг.3 - график зависимости светопропускания рабочего вещества, например анестезина, от температуры.

Волоконно-оптический измеритель температуры содержит расположенные по ходу излучения источник света 1 (лазер или светодиод), входной волоконный световод 2, датчик 3, выходной волоконный световод 4, фотоприемник 5, электронную систему индикации 6.

Устройство содержит чувствительный элемент датчика 3, заполненный рабочим веществом, оптические свойства которого существенно зависят от температуры, выполнен в виде тонкой пластинки из пористого стекла, пропитанной рабочим веществом и расположенной в датчике между торцами подводимых входного 2 и выходного 4 многомодовых световодов, как показано на фиг.2.

Заявляемый волоконно-оптический измеритель температуры работает следующим образом. Свет, распространяющийся от источника модулированного оптического излучения 1, направляется по входному многомодовому оптическому волокну 2 к датчику 3, далее по выходному многомодовому оптическому волокну 4 оптическое излучение направляется к фотоприемнику 5, сигнал о температуре отображается на электронной системе индикации 6. При температуре среды ниже пороговой температуры перехода фазового состояния органического вещества чувствительный элемент датчика 3, выполненный в виде пропитанной рабочим веществом пористой пластинки (фиг.2), интенсивно рассеивает излучение. При этом приемник излучения 5 регистрирует минимальный выходной сигнал. Электронная система индикации 6 отображает состояние окружающей среды. Если температура среды равна или больше пороговой температуры фазового перехода рабочего вещества, оптические потери в чувствительном элементе датчика 3 волоконно-оптического измерителя температуры резко уменьшаются. Выходной сигнал о состоянии температуры окружающей среды отображается на электронной системе индикации 6.

В качестве рабочего вещества для пропитки пластинки из пористого стекла используются органические вещества с точкой фазового перехода жидкость-твердое тело, примеры температурных характеристик которых представлены в таблице 1.

Зависимость пропускания света чувствительным элементом датчика волоконно-оптического измерителя температуры совпадает с зависимостью пропускания света используемого органического вещества от температуры. График зависимости светопропускания рабочего вещества, например анестезина, от температуры представлен на фиг.3.

Заявляемое устройство позволяет повысить стабильность измерения температуры при воздействии внешних электрических и магнитных полей, благодаря использованию материалов, не имеющих металлических и полупроводниковых компонент, а также приведенному на фигурах расположению и форме термочувствительного элемента в конструкции датчика волоконно-оптического измерителя температуры. Устройство конструктивно несложно, технологично в изготовлении и юстировке и, следовательно, недорого в сравнении с известными оптическими датчиками и измерителями температуры.

Волоконно-оптический измеритель температуры, содержащий расположенные по ходу излучения источник света, входное оптическое волокно, датчик, выходное оптическое волокно, фотоприемник, электронную систему индикации выходного оптического сигнала, отличающийся тем, что чувствительный элемент датчика выполнен в виде пластины из пористого стекла, поры которого заполнены рабочим веществом, изменяющим фазовое состояние при температуре, равной заданной пороговой температуре измерений.