RU140222U1

RU140222U1 - OPTICAL PROBE

Info

Publication number: RU140222U1
Application number: RU2013144867/28U
Authority: RU
Inventors: Василий Валерьевич Тихонов; Аркадий Аркадьевич Юхимчук; Виктор Викторович Балуев
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2014-05-10

Abstract

1. Оптический зонд, содержащий корпус со сквозным отверстием, оптические волокна и герметизирующий элемент в виде клеевого соединения, при этом на концах волокон, расположенных с одной стороны корпуса, установлены оптические разъемы, отличающийся тем, что в корпусе выполнены, по крайней мере, два сквозных отверстия, в каждом из которых расположено оптическое волокно и герметизирующий элемент, свободные концы оптических волокон выведены за пределы корпуса и спаяны между собой, по крайней мере, по части боковой поверхности, а на внешней поверхности корпуса выполнены элементы для установки оптического зонда в емкость с исследуемым веществом.2. Оптический зонд по п.1, отличающийся тем, что торцы спаянных волокон заполированы.1. An optical probe comprising a housing with a through hole, optical fibers and a sealing element in the form of an adhesive connection, while optical ends are installed at the ends of the fibers located on one side of the housing, characterized in that at least two are made in the housing through holes, in each of which there is an optical fiber and a sealing element, the free ends of the optical fibers are brought out of the housing and are welded together, at least in part of the side surface, and on the outer surface The surface of the housing contains elements for installing an optical probe in a container with a test substance. 2. The optical probe according to claim 1, characterized in that the ends of the brazed fibers are polished.

Description

Полезная модель относится к технике передачи оптических сигналов, в частности, к элементам волоконно-оптических линий связи, работающим под высоким давлением. Так же заявляемую полезную модель можно отнести к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентраций газов или жидкостей, в том числе при очень высоких давлениях (тысячи атмосфер), и может быть использована в химической, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности.The invention relates to a technique for transmitting optical signals, in particular, to elements of fiber-optic communication lines operating under high pressure. The claimed utility model can also be attributed to the technique of analytical and measuring instrumentation for the detection and determination of concentrations of gases or liquids, including at very high pressures (thousands of atmospheres), and can be used in chemical, oil refining, gas and other industries.

Известен оптический зонд фирмы «Avantes» (http://www.avantes.ru/pdf/5%20Fiber%200ptics.pdf, стр.114), выбранный в качестве аналога. Зонд содержит корпус из нержавеющей стали, который представляет собой цилиндр диаметром 6,35 мм и длиной 50 мм. В корпусе выполнены отверстия, в которых располагаются семь оптических волокон, шесть из них предназначены для ввода оптического излучения в исследуемый объем, и седьмое оптическое волокно предназначено для вывода излучения из исследуемого объема. Свободные концы оптических волокон заканчиваются оптическими разъемами для подключения к источнику излучения и анализатору. Аналог предназначен для разнообразных спектроскопических исследований жидких и газообразных сред. Недостатками аналога является предельное давление исследуемой среды равное 50 атм.A known optical probe of the company "Avantes" (http://www.avantes.ru/pdf/5%20Fiber%200ptics.pdf, p. 114), selected as an analogue. The probe contains a stainless steel housing, which is a cylinder with a diameter of 6.35 mm and a length of 50 mm. Holes are made in the housing, in which seven optical fibers are located, six of them are designed to enter optical radiation into the volume under study, and the seventh optical fiber is designed to output radiation from the volume under study. The free ends of the optical fibers end with optical connectors for connection to a radiation source and analyzer. The analogue is intended for a variety of spectroscopic studies of liquid and gaseous media. The disadvantages of the analogue is the maximum pressure of the investigated medium equal to 50 ATM.

В качестве прототипа выбран оптический зонд (см. сайт http://oceanoptics.ru/probes/115-t2000-html), содержащий корпус со сквозным отверстием, в котором установлено два оптических волокна и герметизирующий элемент в виде клеевого соединения, установленный между волокном и корпусом. На свободных концах оптических волокон установлены оптические разъемы для подсоединения к источнику излучения и анализатору, а концы волокон, предназначенные для контакта с исследуемой средой, не выходят за пределы корпуса. Корпус оптического зонда выполнен из нержавеющей стали в виде гладкого цилиндра диаметром 6,35 мм и длиной 127 мм и не имеет радиуса изгиба.An optical probe was selected as a prototype (see the website http://oceanoptics.ru/probes/115-t2000-html), comprising a housing with a through hole in which two optical fibers are installed and a sealing element in the form of an adhesive joint installed between the fiber and body. At the free ends of the optical fibers, optical connectors are installed for connection to a radiation source and an analyzer, and the ends of the fibers intended for contact with the test medium do not extend outside the housing. The body of the optical probe is made of stainless steel in the form of a smooth cylinder with a diameter of 6.35 mm and a length of 127 mm and has no bending radius.

Недостатком прототипа является невозможность использования его при давлениях среды выше 7 атм, что обусловлено особенностями герметизирующего элемента. Расположение двух оптических волокон в одном корпусе создает большой свободный объем, заполняемый герметизирующим элементом, что отрицательно сказывается на прочности герметичного соединения. Кроме того, с помощью указанного зонда невозможно проводить спектроскопические исследования среды в объемах сложной формы (имеющих радиус изгиба), т.к. концы волокон не выходят за пределы корпуса. Форма корпуса оптического зонда не позволяет осуществить надежное соединение с исследуемым объемом при работе с высоким давлением.The disadvantage of the prototype is the inability to use it at pressures above 7 atm, which is due to the characteristics of the sealing element. The location of two optical fibers in one housing creates a large free volume filled with a sealing element, which adversely affects the strength of the sealed connection. In addition, using this probe it is impossible to conduct spectroscopic studies of the medium in volumes of complex shape (having a bending radius), because the ends of the fibers do not extend beyond the housing. The shape of the body of the optical probe does not allow a reliable connection with the test volume when working with high pressure.

Задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей зонда, заключающееся в повышении предельного давления исследуемой среды (газа или жидкости).The objective of this utility model is to expand the functionality of the probe, which consists in increasing the ultimate pressure of the medium under study (gas or liquid).

При использовании полезной модели достигается следующий технический результат:When using the utility model, the following technical result is achieved:

- возможность исследования параметров среды (газа или жидкости), находящейся под давлением до 4000 атм, за счет повышения надежности герметизации оптического волокна в корпусе;- the ability to study the parameters of the medium (gas or liquid) under pressure up to 4000 atm, by increasing the reliability of the sealing of the optical fiber in the housing;

- повышение точности и чувствительности определения параметров исследуемой среды за счет возможности герметизации нескольких оптических волокон в одном корпусе; таким образом, для получения полезного сигнала может использоваться больше одного оптического волокна;- improving the accuracy and sensitivity of determining the parameters of the investigated medium due to the possibility of sealing several optical fibers in one housing; thus, more than one optical fiber can be used to obtain a useful signal;

- заявляемый зонд может применяться для исследования среды в емкостях различной формы и размера, т.к. при изготовлении зонда существует возможность варьировать расстояние, на которое выходят концы оптических волокон за пределы корпуса в объем с исследуемым веществом;- the inventive probe can be used to study the environment in containers of various shapes and sizes, because in the manufacture of the probe, it is possible to vary the distance at which the ends of the optical fibers extend outside the body into the volume with the test substance;

- простота конструкции оптического зонда.- simplicity of design of the optical probe.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется оптический зонд, содержащий корпус со сквозным отверстием, оптические волокна и герметизирующий элемент в виде клеевого соединения, на концах волокон, расположенных с одной стороны корпуса, установлены оптические разъемы, в котором, согласно заявляемой полезной модели, в корпусе выполнены, по крайней мере, два сквозных отверстия, в каждом из которых расположено оптическое волокно и герметизирующий элемент, свободные концы оптических волокон выведены за пределы корпуса и спаяны между собой, по крайней мере, по части боковой поверхности, а на внешней поверхности корпуса выполнены элементы для установки оптического зонда в емкость с исследуемым веществом.To solve this problem and achieve a technical result, an optical probe is claimed comprising a housing with a through hole, optical fibers and a sealing element in the form of an adhesive connection, optical connectors are installed at the ends of the fibers located on one side of the housing, in which, according to the claimed utility model, at least two through holes are made in the housing, in each of which there is an optical fiber and a sealing element, the free ends of the optical fibers are led outside s body and soldered together, at least a portion of the lateral surface and on the outer surface of the housing formed for mounting the optical elements of the probe into the vessel containing the test substance.

Торцы спаянных волокон заполированы, что помогает избежать потерь полезного сигнала в результате отражения и рассеяния излучения на торце оптического волокна, и приводит к повышению чувствительности проводимых измерений.The ends of the soldered fibers are polished, which helps to avoid loss of the useful signal as a result of reflection and scattering of radiation at the end of the optical fiber, and leads to an increase in the sensitivity of the measurements.

Конструкция зонда позволяет герметизировать несколько оптических волокон в одном корпусе (за счет выполнения в корпусе, по крайней мере, двух сквозных отверстий), в результате чего становится возможным использовать для получения полезного сигнала более одного оптического волокна, что приводит к увеличению интенсивности полезного сигнала и, соответственно, к повышению точности и чувствительности проводимых измерений. Соединение волокон пайкой по части боковой поверхности также положительно влияет на точность и чувствительность измерений. Расположение каждого оптического волокна в отдельном отверстии позволяет уменьшить свободный объем, заполняемый герметизирующим элементом, и площадь контактной поверхности герметизирующего элемента. Это приводит к уменьшению нагрузки на герметизирующий элемент, что позволяет применять его при более высоких давлениях исследуемой среды. Эксперименты показали работоспособность оптического зонда при давлениях до 4000 атм.The probe design allows you to seal several optical fibers in one housing (due to the implementation of at least two through holes in the housing), as a result of which it becomes possible to use more than one optical fiber to obtain a useful signal, which leads to an increase in the intensity of the useful signal and, accordingly, to increase the accuracy and sensitivity of measurements. The connection of the fibers by soldering along part of the side surface also positively affects the accuracy and sensitivity of measurements. The location of each optical fiber in a separate hole allows you to reduce the free volume filled by the sealing element, and the contact surface area of the sealing element. This leads to a decrease in the load on the sealing element, which allows it to be used at higher pressures of the test medium. The experiments showed the operability of the optical probe at pressures up to 4000 atm.

При изготовлении зонда существует возможность варьировать расстояния выхода оптических волокон за пределы корпуса, таким образом можно проводить исследования в определенной локальной области исследуемого объема. При этом можно проводить спектроскопические исследования в объемах сложной формы, в том числе, имеющих радиус изгиба, поскольку оптические волокна имеют радиус изгиба до 20 мм и легко могут повторять форму исследуемого сложного объема.In the manufacture of the probe, it is possible to vary the distance of the exit of the optical fibers outside the housing, so that it is possible to conduct research in a certain local area of the investigated volume. In this case, spectroscopic studies can be carried out in volumes of complex shape, including those having a bending radius, since optical fibers have a bending radius of up to 20 mm and can easily repeat the shape of the studied complex volume.

За счет выполнения силовых элементов на корпусе оптического зонда, предназначенных для стыковки с исследуемой емкостью, и использования высокопрочного клеевого соединения в качестве герметизирующего элемента, становится возможным проводить исследования газа или жидкости при давлениях до 4000 атм.Due to the implementation of the power elements on the body of the optical probe, designed for docking with the investigated capacity, and the use of high-strength adhesive joints as a sealing element, it becomes possible to conduct gas or liquid studies at pressures up to 4000 atm.

На фиг.1 показано схематическое изображение заявляемого оптического зонда.Figure 1 shows a schematic representation of the inventive optical probe.

Оптический зонд состоит из корпуса 1, на котором присутствуют элементы крепления 2 корпуса к исследуемой емкости (не показана). В корпусе 1 выполнено два сквозных отверстия 3, в которых установлено оптическое волокно 4. Оптическое волокно 4 установлено на клеевом соединении (область клеевого соединения обозначена цифрой 5). Концы оптических волокон 4 выходят за пределы корпуса 1 в исследуемую среду на определенное расстояние и спаяны между собой боковыми поверхностями (место пайки обозначено цифрой 6). На противоположных концах оптических волокон 4 установлены разъемы 7 для соединения с источником излучения и анализатором (не показаны).The optical probe consists of a housing 1, on which there are fastening elements 2 of the housing to the test container (not shown). In the housing 1 there are two through holes 3 in which the optical fiber 4 is installed. The optical fiber 4 is mounted on the adhesive joint (the adhesive joint area is indicated by the number 5). The ends of the optical fibers 4 extend beyond the housing 1 into the test medium at a certain distance and are soldered together by side surfaces (the soldering point is indicated by the number 6). At the opposite ends of the optical fibers 4, connectors 7 are mounted for connection to a radiation source and analyzer (not shown).

Предлагаемый оптический зонд работает следующим образом. Корпус 1 зонда с помощью элементов крепления 2 монтируется в емкость с исследуемым веществом. По одному из оптических волокон в исследуемый объем передается оптическое излучение. Излучение, генерируемое молекулами среды, попадает на второе оптическое волокно и передается на анализатор.The proposed optical probe operates as follows. The body 1 of the probe using the fasteners 2 is mounted in a container with the test substance. Optical radiation is transmitted through one of the optical fibers to the volume under study. The radiation generated by the molecules of the medium enters the second optical fiber and is transmitted to the analyzer.

Изготовлен опытный образец заявляемого устройства. Корпус оптического зонда выполнен из нержавеющей стали. В отверстия корпуса вклеено оптическое волокно (2 шт) с напыленным алюминиевым покрытием, диаметр волокна 600 мкм. Согласно результатам на прочность и герметичность, клеевое соединение волокна с корпусом осталось герметичным при давлении водорода 4000 атм. С помощью заявляемого оптического зонда были получены спектры комбинационного рассеяния водорода при давлениях до 4000 атм.Made a prototype of the claimed device. The body of the optical probe is made of stainless steel. An optical fiber (2 pcs) with a sprayed aluminum coating is glued into the openings of the body, the fiber diameter is 600 μm. According to the results on strength and tightness, the adhesive bonding of the fiber with the body remained tight at a hydrogen pressure of 4000 atm. Using the inventive optical probe, Raman spectra of hydrogen were obtained at pressures up to 4000 atm.

Отметим здесь некоторые характерные особенности заявляемой полезной модели:We note here some characteristic features of the claimed utility model:

- простота и надежность конструкции;- simplicity and reliability of the design;

- возможность герметизации множества оптических волокон в одном корпусе;- the ability to seal multiple optical fibers in one housing;

- предложенный оптический зонд может быть применим для широкого спектра исследований, в том числе при высоких давлениях, где требуется ввод и/или вывод оптического излучения в объем с исследуемым веществом, например, для передачи оптических сигналов в гермокамерах, или для спектроскопических исследований.- the proposed optical probe can be used for a wide range of studies, including at high pressures, where the input and / or output of optical radiation into the volume with the test substance is required, for example, for transmitting optical signals in pressure chambers, or for spectroscopic studies.

Claims

1. An optical probe comprising a housing with a through hole, optical fibers and a sealing element in the form of an adhesive connection, while optical ends are installed at the ends of the fibers located on one side of the housing, characterized in that at least two are made in the housing through holes, in each of which there is an optical fiber and a sealing element, the free ends of the optical fibers are brought out of the housing and are welded together, at least in part of the side surface, and on the outer surface The surface of the housing contains elements for installing an optical probe in a container with a test substance.

2. The optical probe according to claim 1, characterized in that the ends of the brazed fibers are polished.