NL8004214A - Werkwijze en inrichting voor het langs optische weg meten van temperaturen en werkwijze voor het vervaardigen van een daarvoor geschikte sonde. - Google Patents

Description

k .A

X Sch/Se/Ciposa 1

Werkwijze en inrichting voor het langs optische weg meten van temperaturen en werkwijze voor het vervaardigen van een daarvoor geschikte sonde.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het langs optische weg meten van de temperatuur, waarbij gebruik wordt gemaakt van een bron voor het emitteren van licht in een bepaald golflengtengebied, 5 een lichtgeleidende inrichting voor het overdragen van het licht binnen tenminste een gedeelte van het genoemde golflengtengebied, een sonde met cholesterische kristallen en een waarneeminrichting.

Ook heeft de uitvinding betrekking op een 10 inrichting voor het langs optische weg meten van de tem-peratuuur, omvattende een bron voor het emitteren van licht in een bepaald golflengtengebied, een lichtgeleiden-de inrichting voor het overdragen van het licht binnen tenminste een gedeelte van het genoemde golflengtengebied, 15 een sonde met cholesterische kristallen en een waarneeminrichting.

Tenslotte heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een sonde voor het langs optische weg meten van de temperatuur, waarbij 20 gebruik wordt gemaakt van een bron voor het emitteren van licht in een bepaald golflengtengebied, een enkelvoudige optische vezel voor het overdragen van het door die bron uitgezonden licht, waarbij een ononderbroken en gelijkmatige aftasting over de golflengtenwaarden plaatsvindt bin-25 nen het genoemde golflengtengebied, alsmede een inrichting voor het waarnemen van een gedeelte van dat licht bij ononderbroken variatie van de golflengte na weerkaatsing aan de cholesterische kristallen.

Het probleem van temperatuurmeting in een 30 elektromagnetische omgeving, die gevoelig is voor verstoringen tengevolge van bijvoorbeeld gebruikelijke thermo- .8004214 * ·* -2- meters met metalen verbindingen, is bekend, in het bijzonder op het terrein van de biologie.

Een van de ontwikkelde oplossingen bestaat hieruit, dat men een dielektrische sonde heeft geconstru-5 eerd, waarbij men gebruik maakte van de eigenschappen van vloeibare kristallen en in het bijzonder van de cholerische kristallen, die het vermogen bezitten, licht met een bepaalde golflengte te weerkaatsen, wanneer zij op een bepaalde temperatuur zijn gebracht.

10 Diverse meer of minder experimentele inrich tingen zijn uitgewerkt voor het uitvoeren van nauwkeurige temperatuurmetingen met behulp van een sonde met een aan het uiteinde van twee lichtgeleiders, in het bijzonder twee onderling gekoppelde optische vezels, aangebrachte pas-15 tille cholesterische kristallen.

Momenteel werken alle bekende inrichtingen discontinu, waarbij gebruik wordt gemaakt van twee relatief grote optische vezels. Enerzijds de discontinue meting en anderzijds de vrij grote afmetingen vormen fundamentele 20 ongemakken, die zich momenteel verzetten tegen een rationele toepassing van dergelijke inrichtingen op medisch en biologisch terrein.

De uitvinding stelt zich ten doel, deze gebreken op te heffen en verschaft daartoe een inrichting 25 en een door die inrichting uit te voeren werkwijze, alsmede een werkwijze ter vervaardiging van een geschikte sonde, een en ander voor het uitvoeren van continue temper atuurmetingen met grote nauwkeurigheid met behulp van een sonde met sterk gereduceerde afmetingen en een zeer 30 grote flexibiliteit. Dankzij deze inrichting is het mogelijk, de ontwikkeling van de inwendige temperatuur van een organisch weefsel, continu gemeten, te volgen en te analyseren. Deze temperatuur kan worden weergegeven door een digitaal of analoog presentatie-orgaan. Het signaal kan 35 eveneens worden gebruikt om regeling mogelijk te maken door middel van uitwendige energietoevoer, zonder versto- 8004214 * 4 -3- ringen aan te brengen, die eigens zijn aan warmte en elektriciteit geleidende, metalen sondes.

Ter bereiking van het bovengenoemde doel vertoont de werkwijze volgens de uitvinding het kenmerk dat, 5 men het door de bron uitgezonden licht zodanig filtert, dat licht wordt verkregen, waarvan de golflengte continu en uniform het genoemde golflengtengebied aftast, dat men het aldus verkregen licht door middel van de licht over-draaginrichting overdraagt naar de genoemde sonde met cho-10 lesterische kristallen, dat men tenminste een gedeelte van het door die kristallen gereflecteerde licht waarneemt door middel van een waarneemorgaan, en dat men de temperatuur in de omgeving van de meetsonde bepaalt door het meten van het faseverschil tussen een aan het begin van elke aftast-15 cyclus opgewekt referentiesignaal en een pieksignaal, dat korrespondeert met de maximale reflectie van het licht op de kristallen voor een bepaalde golflengte in het genoemde golflengtengebied.

De inrichting volgens de uitvinding voor het 20 uitvoeren van deze werkwijze vertoont het kenmerk, dat hij omvat: een inrichting voor het filteren van het door de bron uitgezonden licht ter verkrijging van licht waarvan de golflengtewaarde continu en uniform het genoemde golflengtengebied aftast; een inrichting ter verkrijging 25 van een referentiesignaal bij het begin van elke aftast-cyclus; een met de waarneeminrichting verbonden inrichting voor het opwekken en afgeven van een pieksignaal, korres-ponderend met elke piekwaarde van de hoeveelheid door de genoemde kristallen gereflecteerd en door het genoemde 30 waarneemorgaan waargenomen licht; een inrichting voor het meten van het faseverschil tussen het referentiesignaal en het pieksignaal en voor het weergeven van de temperatuur in de omgeving van de sonde als funktie van het gemeten faseverschil ; waarbij de lichtgeleidende inrichting 35 verder wordt gevormd door een enkelvoudige optische vezel die zowel het op de kristallen invallende als het erdoor 8004214 4 * -4- gereflecteerde licht geleidt.

De werkwijze voor het vervaardigen van de optische meetsonde, die in de inrichting en voor het uitvoeren van de werkwijze kan worden toegepast vertoont 5 het kenmerk, dat men chemisch selektief de stomp aan het uiteinde van de optische vezel aantast, zodanig, dat zich een tenminste nagenoeg parabolische holte vormt in het inwendige van de vezel in de met het hart korresponderende centrale zone, dat men het beschermingsomhulsel uit kunst-10 stof zodanig rekt, dat het het dwars-breukvlak van de vezel passeert, dat men in de genoemde holte en op het breukvlak een pastille cholesterische kristallen aanbrengt en dat men het uiteinde van het gerekte beschermingsomhulsel dichtsoldeert voor het opsluiten van de kristallen in de 15 gesloten zak.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening. Hierin tonen:

Figuur 1 de ijkkromme van een cholesterisch kristal, die kan worden gebruikt in het kader van de onder-20 havige uitvinding,

Figuur 2 een voorkeursuitvoeringsvorm van een sonde volgens de uitvinding,

Figuur 3 een schematische weergave van een inrichting, waarbij de sonde volgens fig.2 wordt toegepast. 25 Figuur 4 een variant van de sonde volgens de uitvinding, en

Figuur 5 een schematische weergave van een inrichting, waarbij de sonde volgens fig.4 wordt gebruikt. Zoals reeds eerder is vermeld, is de 30 werking van de temperatuurvoeler gebaseerd op de eigenschap van cholesterische kristallen, dat zij voor invallend licht een Bragg-reflectie geven, en op deze wijze slechts een klein golflengtegebied weerkaatsen, waarvan de golflengte wordt bepaald door de Bragg-voorwaarde. Aangezien 35 deze voorwaarde afhankelijk is van de temperatuur kan men door het vaststellen van de golflengte van het weerkaatste 8004214 -5- / * licht de temperatuur van het vloeibare kristal bepalen. Verschillende mengsels van vloeibare kristallen kunnen worden uitgevoerd teneinde verschillende temperatuurgebie-den af te tasten voor een weerkaatsing in het gebied van 5 het zichtbare licht of de infrarode straling.

De keuze van dit mengsel zal worden voorgeschreven door het toepassingsgebied van de sonde.

In het getekende uitvoeringsvoorbeeld is de abscis van de grafische weergave onderverdeeld in tem-10 peraturen tussen T en T+3°C en de ordinaat in golflengten tussen 400 en 800 nm. Deze kromme wordt elektronisch geïnterpreteerd voor het nauwkeurig bepalen van de temperatuur waarop zich de sonde bevindt als funktie van de golflengte, waarbij men een reflectiemaximum op het kristal 15 waarneemt.

Zoals bij bestudering van fig.2 blijkt, omvat de sonde, die wordt gebruikt voor het uitvoeren van de metingen waarmee de genoemde eindkromme kon worden bepaald, een optische vezel 1 met een hart 2, een het hart 20 omringende , cilindrische mantel 3 en een beschermingsom-hulsel 4 uit buigzame kunststof, die het foudraal voor de optische kabel vormt.. Het voorste uiteinde (in de fig. aan de rechter kant) vormt de eigenlijke sonde, die is voorzien van een pastille 5 cholesterische kristallen, 25 die zijn opgesloten binnen het foudraal 4, dat vooraf tot voorbij het breukvlak 6 van' de vezel 1 is getrokken en ter plaatse van het verwijzingsgetal 7 is dichtgesoldeerd.

Het breukvlak 6 vertoont een in het midden gelegen uitsparing 8, die is verkregen door chemische selektieve aantas-30 ting van het hart van de vezel, b.v. door onderdompeling in fluorwaterstof, in welke uitsparing het vloeibare kristal is geplaatst, zoals uit de tekening blijkt. Wanneer het door het hart 2 van de vezel 1 overgedragen licht wordt gereflecteerd aan het in hoofdzaak' parabolische oppervlak 35 op de pastille 5 cholesterische kristallen in de holte 8, d.w.z. wanneer de voorwaarden voor wat betreft de temperatuur en de golflengte korrespenderen met het reflectiema- 8004214 * > -6- ximum op de kristallen, dringt het weerkaatste licht door in de mantel 3 en plant zich voort tot binnen de waarneem-stomp (in de fig. aan de linker zijde). Het waarneemorgaan 9 omvat een cilindrische mof 10, die bij voorkeur bestaat 5 uit een transparante gepolymeriseerde hars, waarvan het oppervlak van de ringvormige basis 11 is bedekt met een laag uit, fotogevoelig materiaal, bijvoorbeeld silicium.

Een geleider 12 draagt het bij het waarnemen van een reflec-tiemaximum opgewekte signaal over naar een (niet getekende) 10 elektronische schakeling, die is ingericht voor het bepalen van de temperatuur waarop zich de sonde bevindt, door middel van interpolatie van de in fig.1 weergegeven kromme.

Figuur 3 toont het schema van de totale inrichting voor de in fig.2 weergegeven sonde. Deze inrich-15 ting omvat een bron 31 voor wit licht, een optiek 32 voor het vormen van een evenwijdige bundel en voor het inbrengen van deze bundel in een optische vezel 37. In de evenwijdige bundel plaatst men een filterinrichting 33, die bij voorkeur is uitgevoerd als een roterend referentiefilter, dat continu 20 en uniform in rotatie wordt aangedreven door een elektromotor 35, waardoor een continue en cyclische aftasting van het golflengtegebied wordt verkregen. Het waarnemen van de golflengte van de gereflecteerde golf maakt het mogelijk, de temperatuur van de cholesterische kristallen in de sonde 25 36 te bepalen. Voor het onderdrukken van het door de vezel- mantel overgedragen licht maakt men gebruik van een bekende inrichting, waarbij men gebruik maakt van een stomp van de vezel, die is ingewikkeld in een cilinder van transparante hars 42. Een schematisch aangeduid waarneemorgaan 30 39 is door middel van een verbindingselement 43 met de sonde 36 verbonden. Het meer in detail in fig.2 weergegeven waarneemorgaan 39 bestaat in hoofdzaak uit een cilinder 10 van doorzichtige hars, die een stompje van de optische vezel omsluit, alsmede een fotogevoelige laag 11. Deze gevoe-35 lige laag is elektrisch verbonden met een elektronische verwerkingseenheid 40 (niet in detail weergegeven), die 8004214 * * -7- middelen omvat voor opwekking en afgifte van een referen-tiesignaal, dat het begin van elke aftastcyclus aangeeft.

Ook omvat hij een inrichting voor het meten van het faseverschil tussen het referentiesignaal en het door het waar-5 neemorgaan afgegeven signaal, korresponderend met een re-flectiemaximum. De gebruiker kan de ter plaatse van de sonde gemeten temperatuur waarnemen op een digitale of analoge presentatieinrichting , een schrijver, of een geheugen 41.

10 De sonde volgens fig.4 omvat eveneens een en- kéb/oudige optische vezel 21, omhuld door een de mantel 23 en het hart 24 van de vezel omsluitend omhulsel 22. Het breukvlak 25 is in hoofdzaak vlak. De cholesterische kristallen 26 zijn ingesloten tussen het breukvlak 25 en het ter plaat-15 se van het getal 27 dichtgelaste voorste uiteinde van het omhulsel 22. Wanneer een sonde van dit type wordt toegepast wordt het via het hart 24 van de vezel overgedragen invallende licht gereflecteerd aan het vlakke oppervlak 28 van de vloeibare kristallen. In tegenstelling tot datgene 20 wat bij de sonde volgens fig.2 plaatsvindt, wordt het gereflecteerde licht opnieuw geïnjecteerd in het hart van de vezel en wordt afgescheiden door middel van een Y-junktie.

Deze rangschikking is weergegeven in het totaal schema volgens fig.4.

25 Fig.5 toont schematisch de temperatuurmeet- inrichting, waarin gebruik wordt gemaakt van de eerder beschreven sonde. Ondanks dat de weergegeven inrichting een Y-junktie omvat, die wordt gebruikt in samenhang met de in fig.4 getoonde sonde, bevat deze inrichting tevens 30 een bron voor wit licht, een optiek waarmee een evenwijdige bundel kan worden gevormd, die opnieuw kan worden geïnjecteerd in de optische vezel. In de baan van de evenwijdige bundel plaatst men een cirkelvormig interferentiefilter, de transmissiegolflengte waarvan continu varieert met de 35 rotatie van het filter. De rotatie van het filter wordt verzorgd door een elektromotor, waardoor een continue en zich herhalende aftasting over het golflengtegebied mogelijk is.

8004214 .-8-

Ook is het mogelijk, de kleur van het gereflecteerde licht periodiek te localiseren en op die manier de temperatuur te bepalen van het het geïnjecteerde monochromatische licht reflecterende vloeibare kristal. Het zal duidelijk zijn, 5 dat het interferentiefilter kan worden vervangen door elk andere soortgelijke inrichting, die hetzelfde resultaat oplevert. Het interferentiefilter 34 begrenst een gebied van golflengten, die continu en cyclisch via de enkelvoudige optische vezel 37 worden overgedragen naar de cholesterische 10 kristallen van de sonde 36. Met elke temperatuur van de sonde korrespondeert een golflengtewaarde, waarvoor de kristallen eenmaximale hoeveelheid licht weerkaatsen, d.w.z., waarvoor men een reflectiemaximum waarneemt. Het gereflecteerde licht wordt via de Y-junctie 38 gedeeltelijk overgedragen 15 naar het waarneemorgaan 39, dat bijvoorbeeld bestaat uit een lichtgevoelige cel, die dient voor het waarnemen van de opeenvolgende reflectiemaxima.

Een elektronische verwerkingseenheid 40 (niet in detail weergegeven) omvat een inrichting voor het opwek-20 ken en afgeven van een referentiesignaal, dat het begin van elke aftastcyclus aanduidt. Deze inrichting kan willekeurig welke pulsgenerator omvatten, die in fase met de rotatie van de motor werkt voor opwekking en afgifte van één puls bij elke omwenteling van het interferentiefilter 34. Ook 25 omvat hij een inrichting voor het meten van het faseverschil tussen het referentiesignaal en het door het waarneemorgaan afgegeven en met een reflectiemaximum korresponderende signaal.

Dit faseverschil kan worden bepaald door het 30 meten van het tijdinterval tussen de twee genoemde signalen , door het meten van de fase-achterstand, of een andere geschikte meetmethode.

Tenslotte omvat hij een elektronische inrichting met behulp waarvan de in figuur 1 getrokken kromme , die 35 korrespondeert met de in de sonde 36 toegepaste vloeibare kristallen, kan worden geïnterpreteerd. Een numeriek presen-tatie-orgaan 41 toont bij elke omwenteling van het interferentief ilter nauwkeurig de temperatuur, waarop zich de sonde bevindt. 900 4 2 14 -9-

Met deze inrichting kan men zeer nauwkeurig en in elke omgeving de temperatuur van een lichaam meten en het verloop van deze temperatuur met de tijd bewaken.

8004214

Claims (14)

1. Werkwijze voor het langs optische weg meten van de temperatuur/ gebruikmakend van een bron voor het uitzenden van licht in een bepaald golflengtengebied/ een geleidingsinrichting voor het licht voor het overdragen van 5 dat licht binnen tenminste een gedeelte van het genoemde golflengtengebied, een sonde met cholesterische kristallen en een waarneeminrichting met het kenmerk, dat men het door de bron uitgezonden licht zodanig filtert, dat licht wordt verkregen, waarvan de golflengte continu en uniform het genoemde 10 golflengtengebied aftast, dat men het aldus verkregen licht door middel van de licht overdraaginrichting overdraagt naar de genoemde sonde met cholesterische kristallen, dat men tenminste een gedeelte van het door die kristallen gereflecteerde licht waarneemt door middel van een waarneemorgaan, 15 en dat men de temperatuur in de omgeving van de meetsonde bepaalt door het meten van het faseverschil tussen een aan het begin van elke aftastcyclus opgewekt referentiesignaal en een pieksignaal, dat korrespondeert met de maximale reflectie van het licht op de kristallen voor een bepaalde golf-20 lengte in het genoemde golflengtengebied.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men het faseverschil tussen het referentiesignaal en het pieksignaal meet door middel van het meten van het tijdinterval van optreden daartussen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men het faseverschil tussen het referentiesignaal en het pieksignaal bepaalt door het meten van de relatieve faseachterstand.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het 30 kenmerk, dat men het licht, waarvan de golflengte continu varieert, ter plaatse van de sonde meet, en dat men het door de kristallen gereflecteerde licht weer verzamelt door gebruikmaking van een enkelvoudige optische vezel.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het 35 kenmerk, dat men het op de cholesterische kristallen inval- 8004214 -11- lende licht overdraagt via het hart van de enkelvoudige optische vezel en dat men het weerkaatste licht via de mantel van deze vezel overdraagt naar de waarneeminrichting.

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met het 5 kenmerk, dat men het op de cholesterische kristallen invallende licht via het hart van de enkelvoudige vezel overdraagt, dat men het in het hart van deze vezel weerkaatste licht verzamelt, en dat men tenminste een gedeelte van het gereflecteerde licht toevoert aan de waarneeminrichting door 10 middel van een tweede vezel, die door middel van een Y-junc-tie is gekoppeld met de eerstgenoemde vezel, op een van de cholesterische kristallen verwijderde positie.

7. Inrichting voor het langs optische weg meten van de temperatuur, omvattende een bron voor het uit- 15 zenden van licht in een bepaald golflengtengebied, een gelei-dingsinrichting voor licht, voor het overdragen van het licht binnen tenminste een gedeelte van het genoemde golflengtengebied, een sonde met cholesterische kristallen en een waarneeminrichting, gekenmerkt door een inrichting 20 voor het filteren van het door de bron uitgezonden licht ter verkrijging van licht waarvan de golflengtewaarde continu en uniform het genoemde golflengtengebied aftast; een inrichting ter verkrijging van een referntiesignaal bij het begin van elke aftastcyclus; een met de waarneeminrichting verbon 25 den inrichting voor het opwekken en afgeven van een pieksig-naal, korresponderend met elke piekwaarde van de hoeveelheid door de genoemde kristallen gereflecteerd en door het genoemde waarneemorgaan waargenomen licht; een inrichting voor het meten van hebfaseverschil tussen hetreferentiesignaal en het 30 pieksignaal en voor het weergeven van de temperatuur in de omgeving van de sonde als funktie van het gemeten faseverschil, waarbij de lichtgeleidende inrichting verder wordt gevormd door een enkelvoudige optische vezel die zowel het op de kristallen invallende als het erdoor gereflecteerde 35 licht geleidt.

8. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de sonde een pastille cholesterische kristallen bevat, die zijn aangebracht aan het uiteinde van de 8004214 -12- stomp aan het einde van de genoemde vezel en in kontakt verkeren met het dwars gelegen breukvlak, alsmede een aan zijn uiteinde gesloten beschermingsomhulsel.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het 5 kenmerk, dat het dwarsverplaatste breukvlak van de stomp aan het uiteinde van de vezel in hoofdzaak vlak is.

10. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het dwarsgeplaatste breukvlak van de stomp aan het uiteinde van de vezel een in het midden geplaatste 10 uitsparing tot binnen het inwendige van de vezel vertoont binnen zijn met het hart korresponderende , middelste zone.

11. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de filterinrichting een cirkelvormig inter-ferentiefilter omvat, dat door uniforme rotatie rond zijn 15 as een continue variatie van de golflengte veroorzaakt.

12. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de waarneeminrichting een foto-elektrische cel van bijvoorbeeld het silicium-type omvat.

13. Inrichting volgens conclusie 7, met het 20 kenmerk, dat het waarneemorgaan een fotomultiplicator omvat.

14. Werkwijze voor het vervaardigen van een sonde voor het langs optische weg meten van de temperatuur, gebruik makend van een bron voor het uitzenden van 25 licht in een bepaald golflengtengebied, een enkelvoudige optische vezel voor het overdragen van het door die bron uitgezonden licht, waarvan de golflengtewaarde continu en uniform wordt afgetast over het genoemde golflengtengebied, alsmede een inrichting voor het waarnemen van een gedeel-30 te van dat licht, waarvan de golflengtewaarde continu varieert, na weerkaatsing aan de cholesterische kristallen, met het kenmerk, dat men chemisch selektief de stomp aan het uiteinde van de optische vezel aantast, zodanig, dat zich een tenminste nagenoeg parabolische holte vormt .35 in het inwendige van de vezel in de met het hart korresponp derende centrale zone, dat men het beschermingsomhulsel uit kunststof zodanig rekt, dat het het dwars-breukvlak van de vezel passeert, dat men in de genoemde holte en op het breuk- 8004214 -13- vlak een pastille cholesterische kristallen aanbrengt en dat men het uiteinde van het gerekte beschermingsomhulsel dichtsoldeert voor het opsluiten van de kristallen in de gesloten zak. 8004214