CN100491939C - 光纤光学点温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于远程监测原位反应的点温度的光纤光学传感器，基于通过发生在直角棱镜中的全内反射(TIR)导光的原理，所述直角棱镜安装在其中包含异丙醇的玻璃毛细管上，由于温度升高，异丙醇上升，接触棱镜表面，从而阻止TIR的发生，导致探测到的输出光信号下降。

Description

光纤光学点温度传感器
技术领域
本发明涉及一种光学传感器，用于监测在远处或者在具有腐蚀性和电磁噪声的地点的原位反应的点温度。更具体地说，本装置可用于石油化学工业、过程控制工业、电气、石油以及天然气勘探和开采工业中。
背景技术
石油化学工业、过程控制工业、电气、石油以及天然气勘探和开采工业中利用各种原位以及在反应器里发生的反应，而为了得到希望的产品和成分，必须控制对特定温度的精确测量，所以这些工业都关心可用于监测远处的原位反应的温度的精确状态的可能方法和装置。因此，在这些工业和发电站环境中需要一种实时的自动温度监测技术。温度测量装置例如热敏电阻、热电偶和双金属型装置在各种工业中的应用并不理想，因为这些装置容易受到电磁干扰的影响、笨重以及会产生火花。
常规的温度测量装置具有手动控制、体积大、易碎的缺点，并且动态范围不够、稳定性差、寿命不可接受地过短，以及当替换装置时需要进行复杂的校准步骤。这些校准步骤需要大量的时间。
近年来光纤光学传感器发展了在许多物理参数传感方面的应用，因为其与常规装置相比具有多种优点。这些优点包括：允许在高电压、高电噪声、高温、腐蚀性、或其它恶劣环境下使用的介电结构；允许采取任意配置的几何学上的通用性；以及与光纤光数据链接的固有可兼容性。这些特性使得光纤光学传感器成为各种工业中用于监测各种临界(critical)反应中的温度状态的一种有吸引力的方法。
因此，希望克服常规传感器中的上述问题，并利用光学传感器高精度且有效地远程监测原位反应中的点温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠、耐用、成本有效的光学传感器，用于远程监测原位反应中的点温度。
基于通过在安装于玻璃毛细管上的直角棱镜中发生的全内反射(TIR)导光的原理，开发并试验了一种用于监测点温度的光纤光学传感器。
本发明涉及一种用于远程监测原位反应的点温度的光学传感器，所述传感器包括：
玻璃毛细管，具有用盖封闭的顶端和在底端的球状物，所述球状物用于容纳具有良好热膨胀特性的液体，所述毛细管具有外垂直表面和内垂直表面，其中所述外垂直表面具有沟槽，以及在所述沟槽的高度内设置孔；
直角棱镜，其由斜边、底部反射面和竖直反射面形成，所述直角棱镜置于形成的所述沟槽中，以使所述棱镜的所述反射面靠近并平行于所述毛细管的所述内表面；
光纤夹持板，其覆盖所述直角棱镜的所述斜面，并具有两个用于夹持光纤的孔，所述光纤中的一根连接到光源，另一根连接到光电探测器，连接到所述光源和所述探测器的所述光纤位于所述夹持板上，以便在正常情况下，由所述光源发射的光在所述棱镜的所述两个反射面处经历全内反射，并向后耦合至所述连接到所述光电探测器的光纤，从而在希望的点温度下，由所述光源发射的光不经历TIR，而是经过所述竖直反射面。
在本发明的一个实施例中，使用的所述液体对光透明。
在本发明的另一个实施例中，使用的所述液体是异丙醇。
在本发明的又一个实施例中，所述直角棱镜的所述底部反射面位于所述竖直反射面的下方。
在本发明的再一个实施例中，其中所述光纤、所述直角棱镜以及所述玻璃毛细管由这样的介电材料制成，所述介电材料绝缘、无电感、抗腐蚀，并且不受电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)的影响。
在本发明的再一个实施例中，所述沟槽的下端和上端的位置决定于所述毛细管内部的所述液体在室温和在所述液体的沸点温度下的高度。
在本发明的另一个实施例中，所述沟槽内部的所述孔的位置决定于所述液体的热膨胀和所要监测的所述点温度。
在本发明的又一个实施例中，使用的所述光纤是单模或多模光纤。
在本发明的再一个实施例中，其中使用的所述光纤是多模光纤。
在本发明的一个实施例中，其中使用的所述光电探测器是带有光功率计的Si-PIN光电探测器。
在本发明的另一个实施例中，所述光纤夹持板由铝制成。
在本发明的又一个实施例中，所述光纤夹持板具有两个用于夹持所述光纤的孔。
在本发明的再一个实施例中，所述装置用于测量30℃到80℃范围内的点温度，以及所述装置用作点温度的光学接通/关断开关。
在本发明的又一个实施例中，所述光学传感器装置具有0.01℃的精度，以监测预定温度/设定点温度。
附图说明
图1表示为了监测多种工业应用中液体的点温度而开发的光纤光学传感器的示意图。
具体实施方式
由图1可以看出，本发明的装置包括：小尺寸(10mm×10mm×14mm)的全内反射棱镜，其厚度为7mm；两根多模光纤，一根用于白光光源，另一根用于光电探测器；玻璃毛细管；以及包含在毛细管中的异丙醇。该结构的各部分标记如下：
1    盖
2    玻璃毛细管
3    光源光纤
4   探测器光纤
5   夹持光纤的铝板
6   全内反射棱镜
7   异丙醇
任何不与玻璃化学反应的液体，如果其沸点在装置预期的特定温度范围内，都可以用于在本装置中测量温度。装置的有效范围决定于毛细管中所取的异丙醇的初始高度。显然，对于大的范围，异丙醇在室温下的初始高度应取为较低的值，以及对于较小的温度范围，异丙醇应取为较高的高度。具体地说，可实现/可获得的温度范围决定于由于热膨胀引起的异丙醇的高度的增加，直到孔的位置。温度下限对应于异丙醇的较低高度，温度上限对应于异丙醇最终上升达到的孔的高度，此时，由于棱镜中TIR过程被阻止，光信号突然下降。将异丙醇取为在室温下在毛细管中达到特定高度，然后将毛细管的球状物(包含异丙醇)浸入加热的水浴中，在30-80℃之间记录异丙醇在毛细管中与温度的升高相对应的升高，发现其呈现很好的线性。温度每升高10℃，异丙醇的高度平均升高5mm。孔位于70-80℃高度范围的中点，例如75℃。75℃的这个温度值对应于电变压器的监测温度，这是本装置的一个重要且有用的应用。
为了使沟槽在毛细管上适当定位棱镜，在适当的长度内磨削(ground)毛细管的半圆形壁并使其平滑，以容纳将要通过形成良好接触而在毛细管的平坦部分上固定的棱镜表面。不需要较大的毛细管壁厚度，因为除了斜边之外的、光首先入射在其上的棱镜侧面必须靠在在毛细管上所开沟槽内的平坦部分上，并且棱镜的其它两个壁/面应当不与其它表面例如提到的厚毛细管壁的表面接触，否则，这样的设置将会妨碍光纤(在斜面上)的放置，并且干扰发生在第二表面上的TIR过程。因此，不需要过厚的毛细管壁，因为这些壁需要保持垂直，并且它们不会与两个都是倾斜的棱镜表面接触。毛细管的其它可能的形状/结构将不允许有效地发生TIR过程。棱镜的尺寸很小，重量很轻，并且可方便地利用紫外固化环氧树脂将其非常结实地安装在毛细管沟槽中。
为了传感新的或者不同的点温度值，不需要替换本装置，但需要在取下毛细管的盖后，根据将要测量/监测的点温度，适当重新设定异丙醇(传感液)的初始高度。可将包含异丙醇的毛细管球状物浸入在给定过程中其点温度将被监测的任何液体中。传感液在毛细管内，因此没有改变。然而，如果将要改变传感液，则在不同的传感液的情况下，装置的参数也将改变，例如即使毛细管中不同液体的初始高度保持相同，根据它们的热膨胀特性，在不同温度下根据不同的液体应达到给定的孔高度，所以当使用不同的传感液时，本结构的装置应可用于不同的点温度。
没有传输电信号，而仅有传输通过玻璃棱镜和光纤的光信号，因此不受电信号的存在的影响。
下面给出本传感器与监测液体温度的常规方法的比较：
                            比较表
 序号             常规技术             本技术
  1               手动                 自动
  2               无远程监测           远程监测
  3               大尺寸且易碎紧凑且结实
在本发明的一个实施例中，确定、开发并实现了一种基于TIR的光纤光学传感器，适用于在过程中监测点温度的具体应用。本技术可容易地自动化地用于原位和远程监测温度。
在本发明的另一个实施例中，安装在玻璃毛细管(包含异丙醇)上的全内反射棱镜以及光纤采用本质上为绝缘的且无电感的高度耐用材料。传感信号是由棱镜和探测光纤传输的强度调制光的形式。信号传播是可靠的，没有任何串扰或干扰问题。
基于全内反射棱镜的光纤光学点温度传感器包括：利用光纤将来自石英卤素灯的光耦合到直角棱镜中，以及在光通过液体(异丙醇)横过棱镜时，监测全内反射光信号的调制，所述液体在玻璃毛细管中上升并接触棱镜表面。在棱镜表面处发生的全内反射依赖于周围介质的折射率。当棱镜表面外部的空气被上升的液体(异丙醇)替代时，不满足TIR的条件，因此光通过棱镜表面从棱镜泄漏出去，导致所探测的光信号下降。通过另一根光纤采集全内反射信号，该光纤将信号传输到Si光电探测器。由于热作用，异丙醇在毛细管中升高，并通过设置在毛细管上的孔流出到达棱镜表面，由此导致在相应的温度下光信号的变弱。
利用在直角棱镜中发生的光的TIR原理，本光纤光学传感器使液体的点温度的监测变得容易。该TIR过程基本上涉及光信号的强度调制，因此它不受在石油化学和其它工业中遇到的恶劣的、危险的、腐蚀性的以及电噪声环境的影响。这是因为光纤、棱镜和毛细管都由介电材料制成，因此，它们本质上都是无电感性和绝缘的，从而使得传感器不受电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)的影响。而且制成光纤和其它组件的基础原料—光学玻璃是非常耐用的，因此它可有效地经受在多种应用领域中遇到的苛刻的和腐蚀性的环境。
利用毛细管、异丙醇和棱镜，在实验室中已经实现了用于特定的温度点(75℃)的这种传感器，所述毛细管的壁厚为3.35mm，内径为1.0mm，所述棱镜安装在由传感器将要达到的所关心的温度范围确定的特定位置处在毛细管中钻出的直径典型地为1.0mm的小孔上。对于上述实验室模型，毛细管中所取的异丙醇的初始高度保持在60mm，以及在84.5mm的高度处钻孔，以实现30-80℃的范围。温度范围的上限固定在80℃，因为异丙醇的沸点为82.3℃。该传感器可用作开关的特定温度值取决于室温下在毛细管中选定的异丙醇的初始高度。由于温度的升高，异丙醇在毛细管中升高，一旦异丙醇接触到棱镜表面从而阻止TIR过程发生并导致探测到的光信号下降，全内反射的光功率就发生瞬间变化。如此设计传感器，以使其对于规定范围内的任何温度值都可实现，并可用作用于该具体值的光学接通/关断开关。该传感器能够在±1℃内监测预先确定/设定的点温度，并呈现良好的可重复的性能。
本传感器可有利地用于监测用于各种科学、工业和医学应用的液体的温度。一旦异丙醇到达某个特定的高度，就可听到警报或者通过致动器停止过程。
可以通过延长光纤长度远程地进行温度监测。该装置是十分耐用且成本有效的装置，并且过程监测操作可以自动化。
因此，本发明提供了一种用于监测液体的点温度的光纤光学传感器。传感器包括将来自50W的石英卤素灯的光耦合到光源光纤中，该光源光纤将该光入射到全内反射棱镜的斜面上。棱镜的该斜面用铝板覆盖，用于夹持两根光纤波导—一根连接到光源，而另一根连接到光电探测器。该光在棱镜另外两个棱镜表面经历TIR，并耦合回到光电探测器光纤，最终被导向到Si PIN光电探测器和光功率计。利用合适的环氧树脂将棱镜安装于在玻璃毛细管上切割出的适当大小的沟槽中，棱镜的第一个表面，例如在两个反射面中首先面对入射光的一个表面，位于在毛细管中钻出的小孔上。当在孔上固定棱镜时尤其要注意，以使所用的环氧树脂不要堵塞孔本身。毛细管(长度：112.0mm)在其包含异丙醇的底部具有玻璃球状物(内径：14.50mm)，所述异丙醇具有良好的热膨胀特性。随着温度的升高，异丙醇经历热膨胀并在毛细管中升高。该液体通过位于毛细管上的孔出来，导致光从棱镜泄漏出去，这是因为，随着由空气(折射率＝1.0)被异丙醇(折射率＝1.375)替代而引起的棱镜表面外部的介质的折射率增大，不发生TIR，因此光从该表面泄漏出去而进入异丙醇内，导致在光电探测器处光信号的突然下降。本温度传感器的新颖性设计特征在于，对于给定的1.0mm的毛细管内径尺寸和用于固定棱镜的位置，通过选择毛细管中异丙醇的初始基准高度，可以实现30-80℃范围内的任意温度值的监测，这是一种非常方便简单的过程。为了实验和研究的目的，实验室中实现了用于75℃的温度开关，保持关注监测电变压器的发热的特定应用，本装置表现出令人满意且可重复的性能。
本发明的优点：
1.本发明可用于环境恶劣、苛刻和存在电噪声干扰的过程工业应用。
2.本发明可远程监测工业中的液体和溶剂的点温度，该过程可以是自动化的。
3.一种简单、成本低、紧凑、重量轻、便携、结实和耐用的装置。

Claims (14)

1.一种用于监测远程和原位反应的点温度的光学传感器，所述传感器包括：
玻璃毛细管，具有用盖封闭的顶端和在底端的球状物，所述球状物用于容纳具有良好热膨胀特性的液体，所述毛细管具有外垂直表面和内垂直表面，其中所述外垂直表面具有沟槽，以及在所述沟槽的高度内设置孔；
直角棱镜，其由斜边、底部反射面和竖直反射面形成，所述直角棱镜置于形成的所述沟槽中，以使所述棱镜的所述竖直反射面靠近并平行于所述毛细管的内表面；
光纤夹持板，其覆盖所述直角棱镜的斜面，并具有两个用于夹持光纤的孔，所述光纤中的一根连接到光源，另一根连接到光电探测器，连接到所述光源和所述探测器的所述光纤位于所述夹持板上，以便在正常情况下，由所述光源发射的光在所述棱镜的所述两个反射面处经历全内反射，并向后耦合至所述连接到所述光电探测器的光纤，从而在希望的点温度下，由所述光源发射的光不经历全内发射，而是经过所述竖直反射面。
2.根据权利要求1的光学传感器，其中使用的所述液体对光透明。
3.根据权利要求1的光学传感器，其中使用的所述液体是异丙醇。
4.根据权利要求1的光学传感器，其中所述直角棱镜的所述底部反射面位于所述竖直反射面的下方。
5.根据权利要求1的光学传感器，其中所述光纤、所述直角棱镜以及所述玻璃毛细管由这样的介电材料制成，所述介电材料绝缘、无电感、抗腐蚀，并且不受电磁干扰/射频干扰的影响。
6.根据权利要求1的光学传感器，其中所述沟槽的下端和上端的位置决定于所述毛细管内部的所述液体在室温和在所述液体的沸点温度下的高度。
7.根据权利要求1的光学传感器，其中所述沟槽内部的所述孔的位置决定于所述液体的热膨胀和所要监测的所述点温度。
8.根据权利要求1的光学传感器，其中使用的所述光纤是单模或多模光纤。
9.根据权利要求1的光学传感器，其中使用的所述光纤是多模光纤。
10.根据权利要求1的光学传感器，其中使用的所述光电探测器是带有光功率计的Si-PIN光电探测器。
11.根据权利要求1的光学传感器，其中所述光纤夹持板由铝制成。
12.根据权利要求1的光学传感器，其中所述装置用作特定温度的光学接通/关断开关。
13.根据权利要求1的光学传感器，其中所述装置用于测量30℃到80℃范围内的点温度。
14.根据权利要求1的光学传感器，其中所述光学传感器装置具有0.01℃的精度，以监测预定温度/设定点温度。
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