RU140576U1

RU140576U1 - FIBER OPTICAL TEMPERATURE SENSOR

Info

Publication number: RU140576U1
Application number: RU2013156160/28U
Authority: RU
Inventors: Иван Романович Дроздов; Илларион Леонидович Никулин
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-05-10

Abstract

1. Волоконно-оптический датчик температуры, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга, отличающийся тем, что он снабжен корпусом, представляющим собой электрокорундовый или шамотный тигель, причем внешняя стенка тигля выполнена либо гладкой, при этом световод расположен непосредственно на его внешней стенке, либо со спиралевидным каналом, внутри которого по всей длине расположен световод, при этом в световоде записано не менее двух спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга и световод закреплен в спиралевидном канале или на внешней стенке корпуса в некоторых точках без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии, причем точки крепления определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде, при этом волоконно-оптические решетки Брэгга расположены в вертикальной проекции на одной линии, образуя вертикальный массив, свободный конец световода имеет термоизоляцию до точки ввода его в корпус датчика, и один конец датчика герметично соединен с системой измерения.2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что световод закреплен внутри спиралевидного канала или на внешней стенке корпуса с помощью термостойкого силикатного клея.3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что вертикальные массивы волоконно-оптических решеток Брэгга расположены в диаметрально противоположных частях корпуса датчика.4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что один конец датчика соединен с системой измерения посред�1. A fiber-optic temperature sensor containing a sensitive element made in the form of a fiber-optic light guide with a polyamide coating and with a fiber-optic Bragg grating recorded in it, characterized in that it is equipped with a housing, which is an electrocorundum or fireclay crucible, and the outer the wall of the crucible is made either smooth, while the light guide is located directly on its outer wall, or with a spiral channel, inside which the light guide is located along the entire length, while at least two spectrally and spatially separated fiber-optic Bragg gratings and a light guide are recorded in the light guide fixed in a spiral channel or on the outer wall of the housing at some points without pretension and without deformation when fastened in a freely suspended state, and the attachment points are determined by the locations of the fiber-optic Bragg gratings in the light guide, while the fiber-optic Bragg gratings are located in a vertical projection on one line, forming a vertical array, the free end of the light guide has thermal insulation up to the point of its entry into the sensor housing, and one end of the sensor is hermetically connected to the measurement system.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the light guide is fixed inside the helical channel or on the outer wall of the housing using heat-resistant silicate glue. The sensor according to claim 1, characterized in that the vertical arrays of fiber-optic Bragg gratings are located in diametrically opposite parts of the sensor housing. The sensor according to claim 1, characterized in that one end of the sensor is connected to the measurement system through

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для непрерывного измерения температуры расплава металла в условиях промышленного производства, например, при расплавлении шихты жаропрочного никелевого сплава в тигле индукционной печи, при производстве деталей газотурбинных двигателей.The utility model relates to measuring technique and is intended for continuous measurement of the temperature of the molten metal in industrial production, for example, when melting a charge of heat-resistant nickel alloy in the crucible of an induction furnace, in the production of parts of gas turbine engines.

Особенностями процесса индукционного переплава жаропрочных никелевых сплавов является технический вакуум и наличие сильных высокочастотных электромагнитных полей, что делает недопустимым одновременный нагрев и применение стандартных электрических средств контроля температурного состояния.The features of the induction remelting process of heat-resistant nickel alloys are technical vacuum and the presence of strong high-frequency electromagnetic fields, which makes simultaneous heating and the use of standard electric means of monitoring the temperature state unacceptable.

Известно, что в настоящее время для этих целей применяются термопарные датчики и пирометры спектрального соотношения.It is known that thermocouple sensors and spectrometer pyrometers are currently used for these purposes.

К недостаткам контроля температуры термопарными датчиками и пирометрами относятся чувствительность к электромагнитным помехам и наличие токоведущих проводников, в результате чего невозможно производить измерения в условиях действия высокочастотных магнитных полей во время работы индукционной печи. Также к недостаткам термопарных датчиков и пирометров относится невозможность получения пространственного распределения температуры металла.The disadvantages of temperature control with thermocouple sensors and pyrometers include sensitivity to electromagnetic interference and the presence of current-carrying conductors, as a result of which it is impossible to make measurements under conditions of high-frequency magnetic fields during operation of the induction furnace. Another disadvantage of thermocouple sensors and pyrometers is the impossibility of obtaining a spatial distribution of the temperature of the metal.

Известен волоконно-оптический датчик температуры с чувствительным элементом, выполненным в виде капсулы, содержащей в себе внутрикапсульное сферическое зеркало (патент RU №2256890 от 20.07.2005).Known fiber-optic temperature sensor with a sensitive element made in the form of a capsule containing an intracapsular spherical mirror (patent RU No. 2256890 from 07.20.2005).

Недостатком известного датчика является сложность изготовления и невозможность создания на его основе системы распределенного контроля температуры.A disadvantage of the known sensor is the difficulty of manufacturing and the inability to create a distributed temperature control system based on it.

Известно устройство для измерения температуры в электромагнитных полях (заявка RU №2011139142 от 10.04.2013), выполненное в виде волоконного световода с записанной в нем волоконной решеткой Брэгга. Датчик проходит в капилляре, который в свою очередь помещен в защитную трубу, расположенную в наружной оболочке.A device for measuring temperature in electromagnetic fields (application RU No. 20111139142 dated 04/10/2013) is made in the form of a fiber waveguide with a Bragg fiber grating recorded therein. The sensor passes in a capillary, which, in turn, is placed in a protective tube located in the outer shell.

Наличие многослойной изоляции снижает чувствительность датчика, что в свою очередь приводит к снижению точности измерений при воздействии температур порядка 150-300°C. Поэтому такая конструкция является непригодной для измерения температуры в процессе переплава металла в тигле индукционной печи.The presence of multilayer insulation reduces the sensitivity of the sensor, which in turn leads to a decrease in measurement accuracy when exposed to temperatures of about 150-300 ° C. Therefore, this design is unsuitable for measuring temperature during the process of metal remelting in the crucible of an induction furnace.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является волоконно-оптический датчик температуры, входящий в волоконно-оптический термометр, описанный в патенте RU №2491523 от 27.08.2013 г. Волоконно-оптический датчик выполнен в виде щупа, состоящего из волоконного световода с полиамидным покрытием и с записанной вблизи его торца волоконной решеткой Брэгга. Данное устройство принято за прототип.The closest device of the same purpose to the claimed utility model in terms of features is a fiber-optic temperature sensor included in the fiber-optic thermometer described in patent RU No. 2491523 of 08/27/2013. The fiber-optic sensor is made in the form of a probe consisting of a fiber with a polyamide coating and a Bragg fiber grating recorded near its end. This device is taken as a prototype.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели - чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга.The signs of the prototype, which coincides with the essential features of the claimed utility model, are a sensitive element made in the form of a fiber optic fiber with a polyamide coating and with the Bragg optical fiber recorded in it.

Недостатком использования отдельных щупов в качестве чувствительного элемента при эксплуатации датчика в условиях вакуумной установки является необходимость использования более одного волоконного световода для получения распределенной системы датчиков температуры, что в свою очередь повышает стоимость реализации, делает проблематичным обеспечение герметичного соединения датчиков с регистрирующей системой на границе вакуумной установки по переплаву металла с внешней средой, что приводит к снижению надежности установки по переплаву металла в целом.The disadvantage of using individual probes as a sensing element when operating the sensor in a vacuum installation is the need to use more than one fiber waveguide to obtain a distributed temperature sensor system, which in turn increases the cost of implementation, making it difficult to ensure the sensors are tightly connected to the recording system at the boundary of the vacuum installation remelting metal with the external environment, which reduces the reliability of the installation avu metal in general.

Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение надежности датчика, упрощение его конструкции и снижение стоимости при высокой точности измерения, обеспечение возможности измерения пространственного распределения температуры и непрерывного контроля температуры во время технологического процесса индукционной плавки металла.The task to which the claimed technical solution is directed is to increase the reliability of the sensor, simplify its design and reduce cost with high measurement accuracy, provide the ability to measure the spatial distribution of temperature and continuous temperature control during the technological process of induction melting of metal.

Поставленная задача была решена за счет того, что известный волоконно-оптический датчик температуры, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга, снабжен корпусом, представляющим собой электрокорундовый или шамотный тигель, причем внешняя стенка тигля выполнена либо гладкой, при этом световод расположен непосредственно на его внешней стенке, либо со спиралевидным каналом, внутри которого по всей длине расположен световод, при этом в световоде записано не менее двух спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга и световод закреплен в спиралевидном канале или на внешней стенке корпуса в некоторых точках без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии, причем точки крепления определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде, при этом волоконно-оптические решетки Брэгга расположены в вертикальной проекции на одной линии, образуя вертикальный массив, свободный конец световода имеет термоизоляцию до точки ввода его в корпус датчика и один конец датчика герметично соединен с системой измерения.The problem was solved due to the fact that the known fiber-optic temperature sensor containing a sensing element, made in the form of a fiber-optic fiber with a polyamide coating and a Bragg fiber-optic array recorded in it, is equipped with a case, which is an electrocorundum or fireclay crucible moreover, the outer wall of the crucible is made either smooth, while the light guide is located directly on its outer wall, or with a spiral channel, inside of which along the entire length n fiber, while in the fiber there are at least two spectrally and spatially separated fiber-optic Bragg gratings and the fiber is fixed in a spiral channel or on the outer wall of the housing at some points without pretension and without deformation when mounted in a freely suspended state, the attachment points are determined by the locations of the Bragg fiber-optic gratings in the fiber, while the Bragg fiber-optic gratings are located in a vertical projection on the same line, forming a vert Calne array, the free end of the fiber has a thermal insulation to the point of its entry into the sensor body and one end is sealingly connected with the sensor measuring system.

В частности, крепление световода внутри спиралевидного канала или на внешней стенке корпуса может осуществляться с помощью термостойкого силикатного клея.In particular, the fastening of the fiber inside the spiral channel or on the outer wall of the housing can be carried out using heat-resistant silicate glue.

В частности, вертикальные массивы волоконно-оптических решеток Брэгга могут располагаться в диаметрально противоположных частях корпуса датчика.In particular, the vertical arrays of fiber Bragg gratings can be located in diametrically opposite parts of the sensor housing.

В частности, один конец, датчика может быть соединен с системой измерения посредством специального коннектора и герметичной розетки.In particular, one end of the sensor can be connected to the measurement system through a special connector and a sealed outlet.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - корпус, представляющий собой электрокорундовый или шамотный тигель, внешняя стенка тигля выполнена либо гладкой либо со спиралевидным каналом; световод расположен непосредственно на гладкой внешней стенке тигля либо внутри спиралевидного канала по всей длине; в световоде записано не менее двух спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга; световод закреплен в спиралевидном канале или на внешней стенке корпуса в некоторых точках без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии; точки крепления определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде; волоконно-оптические решетки Брэгга расположены в вертикальной проекции на одной линии, образуя вертикальный массив; свободный конец световода имеет термоизоляцию до точки ввода его в корпус датчика; один конец датчика герметично соединен с системой измерения; световод закреплен внутри спиралевидного канала или непосредственно на внешней стенке корпуса с помощью термостойкого силикатного клея; вертикальные массивы волоконно-оптических решеток Брэгга расположены в диаметрально противоположных частях корпуса датчика; один конец датчика соединен с системой измерения посредством специального коннектора и герметичной розетки.Signs of the proposed technical solution, distinctive from the prototype - the body, which is an electrocorundum or fireclay crucible, the outer wall of the crucible is made either smooth or with a spiral channel; the light guide is located directly on the smooth outer wall of the crucible or inside the spiral channel along the entire length; at least two spectrally and spatially spaced Bragg fiber-optic gratings are recorded in the light guide; the optical fiber is fixed in a spiral channel or on the outer wall of the housing at some points without pre-tension and without deformation when mounted in a freely suspended state; the attachment points are determined by the locations of the Bragg fiber optic arrays in the fiber; Bragg fiber optic arrays are arranged in vertical projection on the same line, forming a vertical array; the free end of the fiber is thermally insulated to the point of its entry into the sensor housing; one end of the sensor is hermetically connected to the measurement system; the optical fiber is fixed inside the spiral channel or directly on the outer wall of the housing using heat-resistant silicate glue; Bragg vertical arrays of fiber optic arrays are located in diametrically opposite parts of the sensor housing; one end of the sensor is connected to the measuring system through a special connector and a sealed outlet.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволят повысить надежность датчика, упростить его конструкцию и снизить стоимость при высокой точности измерения; обеспечат возможность измерения пространственного распределения температуры и непрерывный контроль температуры во время технологического процесса индукционной плавки металла.Distinctive features, together with the known ones, will increase the reliability of the sensor, simplify its design and reduce cost with high measurement accuracy; will provide the ability to measure the spatial distribution of temperature and continuous temperature control during the technological process of induction melting of metal.

На чертеже представлен общий вид датчика.The drawing shows a General view of the sensor.

Волоконно-оптический датчик температуры (фиг.) содержит корпус 1, представляющий собой электрокорундовый или шамотный тигель. Внешняя стенка тигля выполнена либо гладкой, либо со спиралевидным каналом 2. Внутри спиралевидного канала 2 по всей длине или непосредственно на внешней гладкой стенке тигля (корпуса) расположен чувствительный элемент в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием. В световоде записаны две и более спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга. Запись волоконно-оптических решеток Брэгга должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечить возможность их фиксации на одной линии в вертикальной проекции, образуя вертикальный массив. Чувствительный элемент может быть выполнен в виде спектрально разнесенных решеток Брэгга, записанных в стандартном волоконном световоде типа SMF-28 с полиамидным покрытием или высокогерманатном волоконном световоде с полиамидным покрытием. Полиамидное покрытие световода позволит обеспечить стойкость к воздействию температур порядка 150-300°C. Свободный конец световода имеет термоизоляцию до точки ввода его в корпус 1 датчика. При этом один конец датчика 1 герметично соединен с системой измерения посредством специального коннектора и герметичной розетки. Световод закреплен в спиралевидном канале 2 или непосредственно на внешней стенке корпуса без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии в некоторых точках при помощи термостойкого клея. Крепление без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии позволит минимизировать влияния механических напряжений на показания датчика. Точки крепления 3 определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде, при этом волоконно-оптические решетки Брэгга расположены в вертикальной проекции на одной линии, образуя вертикальный массив. Вертикальные массивы волоконно-оптических решеток Брэгга могут быть расположены в диаметрально противоположных частях корпуса датчика для получения горизонтального распределения температуры.Fiber optic temperature sensor (Fig.) Contains a housing 1, which is an electrocorundum or chamotte crucible. The outer wall of the crucible is made either smooth or with a spiral channel 2. Inside the spiral channel 2 along the entire length or directly on the external smooth wall of the crucible (body) there is a sensitive element in the form of a fiber optic fiber with a polyamide coating. Two or more spectrally and spatially spaced Bragg fiber optic arrays are recorded in a fiber. The Bragg fiber-optic gratings should be recorded in such a way as to ensure that they can be fixed on one line in a vertical projection, forming a vertical array. The sensitive element can be made in the form of spectrally spaced Bragg gratings recorded in a standard fiber optic fiber type SMF-28 with a polyamide coating or a high german fiber fiber with a polyamide coating. The polyamide coating of the fiber will provide resistance to temperatures of about 150-300 ° C. The free end of the fiber is thermally insulated to the point of entry into the sensor housing 1. In this case, one end of the sensor 1 is hermetically connected to the measurement system by means of a special connector and a sealed outlet. The optical fiber is fixed in a spiral channel 2 or directly on the outer wall of the housing without preliminary tension and without deformation when fixed in a freely suspended state at some points using heat-resistant adhesive. Fastening without pre-tension and without deformation when mounting in a freely suspended state will minimize the effect of mechanical stresses on the sensor readings. The attachment points 3 are determined by the locations of the Bragg fiber-optic arrays in the fiber, while the Bragg fiber-optic arrays are arranged in vertical projection on the same line, forming a vertical array. Vertical arrays of Bragg fiber optic arrays can be located in diametrically opposite parts of the sensor housing to obtain a horizontal temperature distribution.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Свет от системы измерения направляется через оптическое волокно непосредственно к датчику, и, отразившись от волоконно-оптических решеток Брэгга, возвращается в систему измерения. Спектр отражения волоконно-оптических решеток Брэгга зависит напрямую от температуры.The light from the measurement system is directed through the optical fiber directly to the sensor, and, reflected from the Bragg fiber optic arrays, is returned to the measurement system. The reflection spectrum of Bragg fiber optic gratings depends directly on temperature.

Преимущество полезной модели состоит в том, что она позволяет:The advantage of the utility model is that it allows you to:

- повысить надежность датчика, упростить его конструкцию и снизить стоимость за счет использования одного волоконного световода;- increase the reliability of the sensor, simplify its design and reduce the cost through the use of a single fiber optical fiber;

- повысить точность измерения по сравнению с широко применяющимися в настоящее время термопарными датчиками за счет волоконно-оптических решеток Брэгга, имеющих чувствительность к температурному воздействию около 0,1 нм/°C.- increase the measurement accuracy compared to currently widely used thermocouple sensors due to the Bragg fiber optic gratings having a temperature sensitivity of about 0.1 nm / ° C.

- обеспечить возможность измерения пространственного распределения температуры за счет возможности спектрального и пространственного мультиплексирования волоконно-оптических решеток Брэгга;- to provide the ability to measure the spatial temperature distribution due to the possibility of spectral and spatial multiplexing of Bragg fiber optic gratings;

- обеспечить непрерывный контроль температуры во время технологического процесса индукционной плавки металла.- provide continuous temperature control during the technological process of induction melting of metal.

Claims

1. Fiber-optic temperature sensor containing a sensing element made in the form of a fiber-optic fiber with a polyamide coating and a Bragg optical fiber recorded in it, characterized in that it is equipped with a housing, which is an electrocorundum or fireclay crucible, and the external the crucible wall is either smooth, while the fiber is located directly on its outer wall, or with a spiral channel, inside which the fiber is located along the entire length, while in the fiber at least two spectrally and spatially spaced Bragg fiber-optic gratings are written and the fiber is fixed in a spiral channel or on the outer wall of the casing at some points without pretension and without deformation when mounted in a freely suspended state, and the attachment points are determined by the location of the fiber optical Bragg gratings in the fiber, while the Bragg fiber optic gratings are located in vertical projection on the same line, forming a vertical array, the free end with the duct is thermally insulated to the point of its entry into the sensor housing, and one end of the sensor is hermetically connected to the measurement system.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the light guide is fixed inside the spiral channel or on the outer wall of the housing using heat-resistant silicate glue.

3. The sensor according to claim 1, characterized in that the vertical arrays of Bragg fiber optic arrays are located in diametrically opposite parts of the sensor housing.

4. The sensor according to claim 1, characterized in that one end of the sensor is connected to the measurement system by means of a special connector and a sealed outlet.