RU2008630C1 - Волоконно-оптический датчик температуры - Google Patents
Волоконно-оптический датчик температуры Download PDFInfo
- Publication number
- RU2008630C1 RU2008630C1 SU915017512A SU5017512A RU2008630C1 RU 2008630 C1 RU2008630 C1 RU 2008630C1 SU 915017512 A SU915017512 A SU 915017512A SU 5017512 A SU5017512 A SU 5017512A RU 2008630 C1 RU2008630 C1 RU 2008630C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bowl
- capsule
- light conductors
- light
- optical fibers
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Использование: в измерительной технике для измерения температуры газовых и жидких сред. Сущность изобретения: заключается в изменении коэффициента оптической связи между осветительным и приемным световодами на участке между торцом соединенных вместе световодов и отражающим дном капсулы при изменении температуры. В волоконно-оптическом датчике температуры, содержащем осветительный и приемный световоды, одни концы которых соединены вместе и помещены в капсулу с дном, обеспечивающим зеркальное отражение света, противоположные концы подключены соответственно к источнику света и фотоприемнику, Оба световода заключены в водонепроницаемую трубку, торец соединенных вместе световодов расположен вблизи дна капсулы на расстоянии, равном половине диаметра d световодной жилы. Капсула и световоды изготовлены из материалов с коэффициентами линейного теплового расширения соответственно β1 и β2 концы соединенных вместе световодов закреплены во втулке, последняя закреплена в капсуле, при этом торец втулки удален от дна капсулы на расстояние l1=l2+d/2 где l2 - длина свободных концов соединенных вместе световодов, связанная с l1 соотношением l1β1-l2β2=α·d/2, где α - чувствительность датчика. Полость капсулы, образованная ее стенкой, торцом втулки и поверхностью свободных концов световодов, дренажным отверстием соединена с полостью трубки. 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры газовых или жидких сред, в том числе дистанционного, как в нормальных условиях, так и в условиях воздействия сильных электрических и магнитных полей, химически агрессивных сред, радиации, во взрывоопасных условиях.
Известен волоконно-оптический термометр [1] , выполненный на основе крутого изгиба оголенного участка, помещенного в термооптическую среду, в котором используется связь между температурой измеряемой среды, показателем преломления термооптической среды и коэффициентом пропускания крутого изгиба световода. Этот термометр содержит источник света, подключенный к двум U-образным световодам, крутой изгиб одного из которых помещен в измеряемую среду, и два фотоприемника, один из которых оптически сопряжен с выходом опорного, а другой - с выходом сигнального световода.
Известен оптоволоконный датчик температуры [2] , который по технической сущности наиболее близок к заявляемому и принят за прототип. Датчик состоит из двух волоконных световодов, одни концы которых соединены вместе и помещены в капсулу, внутренняя поверхность дна которой обеспечивает зеркальное отражение света. Между дном капсулы и концами световодов расположена пластинка из полупроводникового материала, характеризующегося температурной зависимостью спектра (края полосы) поглощения (пропускания). От источника света, спектр излучения которого согласован с шириной спектра (края полосы) поглощения термочувствительного элемента, в первый световод направляется луч света, который проходит его, проходит через полупроводниковую пластинку, отражается от дна капсулы, вновь проходит через полупроводниковую пластинку и поступает во второй световод, по которому передается к приемнику излучения. В зависимости от величины температуры изменяется коэффициент пропускания полупроводниковой пластинки, вследствие чего изменяется интенсивность направляемого во второй световод излучения.
Величина светового потока, достигающего фотоприемника, описывается следующим выражением:
Ф= Фи( λ) κ (λ) ro(λ ) [1+ α(Т-То) ] , (1) где Фи( λ) - поток, излучаемый источником света на длине волны λ;
κ (λ) - ослабление световода на длине волны λ;
ro(λ ) - коэффициент пропускания полупроводникового материала при температуре Т= То на длине волны λ ;
α - температурный коэффициент пропускания полупроводниковой пластинки или чувствительность датчика.
Ф= Фи( λ) κ (λ) ro(λ ) [1+ α(Т-То) ] , (1) где Фи( λ) - поток, излучаемый источником света на длине волны λ;
κ (λ) - ослабление световода на длине волны λ;
ro(λ ) - коэффициент пропускания полупроводникового материала при температуре Т= То на длине волны λ ;
α - температурный коэффициент пропускания полупроводниковой пластинки или чувствительность датчика.
При прочих равных условиях точность измерения температуры тем выше, чем выше чувствительность датчика. В известных лучших устройствах подобного типа в качестве термочувствительного элемента используются кристаллы теллурида кадмия или арсенида галлия, характеризующиеся термическим сдвигом края полосы поглощения d λ /dT ≈ 0,3 нм/град, что при ширине края полосы поглощения 100 нм соответствует чувствительности α ≈ 0,3 % /град. При достижимой в настоящее время точности измерения напряжений ≈ 0,03% подобная чувствительность потенциально обеспечивает точность измерения температуры на уровне 0,1оС. На самом же деле она значительно ниже, ≈ 5оС, и обусловлена флуктуациями частоты излучения, интенсивности излучения и коэффициента пропускания световода из-за неконтролируемых изгибов последнего.
Для уменьшения влияния перечисленных выше дестабилизирующих факторов конструкция волоконно-оптического термометра значительно усложняется из-за введения второго источника монохроматического света и использования двухволнового метода обработки измерительной информации. В итоге погрешность измерения снижается до 0,5-1оС.
Сущность изобретения заключается в том, что в волоконно-оптическом датчике температуры, содержащем осветительный и приемный световоды, одни концы которых соединены вместе и помещены в капсулу с дном, обеспечивающим зеркальное отражение света, а противоположные подключены соответственно к источнику света и фотоприемнику, оба световода заключены в водонепроницаемую трубку, торец соединенных вместе световодов расположен вблизи дна капсулы на расстоянии, равном половине диаметра d световодной жилы, капсула и световоды изготовлены из материалов с коэффициентами линейного теплового расширения соответственно β1 и β2, концы соединенных вместе световодов закреплены во втулке, последняя закреплена в капсуле, при этом торец втулки удален от дна капсулы на расстояние l1= l2 + 
, где l2 - длина свободных концов соединенных вместе световодов, связанная с l1соотношением l1 β1-l2 β2= 
; α - чувствительность датчика, а полость капсулы, образованная ее стенкой, торцом втулки и поверхностью свободных концов световодов, дренажным отверстием соединена с полостью трубки.
Сущность решения заключается в изменении коэффициента оптической связи между осветительным и приемным световодами на участке между торцом световодов и дном капсулы при изменении температуры.
Это позволяет упростить конструкцию волоконно-оптического датчика и уменьшить его себестоимость; исключить влияние флуктуаций частоты источника света на точность измерений; увеличить чувствительность датчика и уменьшить влияние таких дестабилизирующих факторов, как флуктуация мощности источника света и пропускания световодов; управлять диапазоном и точностью измерений температуры.
На фиг. 1 изображен предлагаемый волоконно-оптический датчик температуры.
Устройство содержит капсулу 1 с зеркально-отражающим дном 2, торец 3 соединенных вместе и закрепленных во втулке 4 концов осветительного 5 и приемного 6 световодов, дренажное отверстие 7, соединенное с полостью трубки 8, источник 9 света, сопряженный с осветительным световодом, и фотоприемник 10, сопряженный с приемным световодом.
Волоконно-оптический датчик температуры работает следующим образом.
Световой поток от источника 9 света поступает в осветительный световод 5 и распространяется по нему до торца 3 соединенных вместе концов осветительного 5 и приемного 6 световодов, выходит из торца 3, отражается от дна 2 капсулы 1, поступает в торец приемного световода 6 и распространяется по нему до фотоприемника 10, в котором регистрируется величина светового потока
Ф= Фи κ ro [1+
(l1 β1-l2 β2)(Т-То)] , (2) где Фи - величина светового потока, испускаемого источником света;
κ - пропускание световода;
ro - пропускание участка торец соединенных вместе световодов - дно капсулы при температуре Т= То;
d - диаметр световодной жилы;
l1 - длина стенки капсулы, ограничивающей ее полость при Т= То;
l2 - длина свободных концов световодов капсулы при Т= То;
β1 - коэффициент линейного теплового расширения материала капсулы;
β2 - коэффициент линейного теплового расширения материала световодов.
Ф= Фи κ ro [1+
κ - пропускание световода;
ro - пропускание участка торец соединенных вместе световодов - дно капсулы при температуре Т= То;
d - диаметр световодной жилы;
l1 - длина стенки капсулы, ограничивающей ее полость при Т= То;
l2 - длина свободных концов световодов капсулы при Т= То;
β1 - коэффициент линейного теплового расширения материала капсулы;
β2 - коэффициент линейного теплового расширения материала световодов.
В выражении (2) для предлагаемого устройства в отличие от выражения (1) для прототипа исключено дестабилизирующее влияние флуктуаций частоты источника света на точность измерений за счет исключения из конструкции датчика чувствительного элемента с селективной спектральной характеристикой. Возможность использования также более дешевых широкополосных источников света (лампа накаливания, излучающий световод) приводит одновременно к упрощению и удешевлению его конструкции. Как следует из (2), температурный коэффициент пропускания или чувствительность датчика
α =
(l1 β1-l2 β2) (3) зависит от геометрических размеров стенок полости и световодной жилы, а также от коэффициентов линейного теплового расширения материалов капсулы и световодов и поэтому может регулироваться в широких пределах. Увеличение же чувствительности в несколько раз позволяет во столько же раз уменьшить влияние остальных дестабилизирующих факторов на точность измерения температуры.
α =
Действительно, если переписать выражение (2) с учетом возможных флуктуаций мощности источника света и пропускания световодов:
Ф= Ф
1+ 
1+ 
ro(1+αΔT), (4) тo из (4) следует, что приведенное к значениям температуры влияние перечисленных выше факторов обратно пропорционально чувствительности датчика:
= αΔT и ΔT= 
(5)
= αΔT и ΔT= 
(6)
Работа предлагаемого устройства основана на температурной зависимости расстояния L между торцом соединенных вместе световодов и дном капсулы, обусловленной различным тепловым расширением капсулы и свободных концов световодов. Действительно, при изменении температуры от значения То до значения Т:
L(T)= l1 [1+β 1(T-To) -l2 [1+ β2(T-To) ] =
= (l1-l2)+(l1 β1-l2 β2)(T-To)=
= Lo+(l1 β1-l2 β2)(T-To), (7) где Lo= L(To) - расстояние между торцом световодов и дном капсулы при значении температуры То;
L(T) - то же самое расстояние при значении температуры Т.
Ф= Ф
Работа предлагаемого устройства основана на температурной зависимости расстояния L между торцом соединенных вместе световодов и дном капсулы, обусловленной различным тепловым расширением капсулы и свободных концов световодов. Действительно, при изменении температуры от значения То до значения Т:
L(T)= l1 [1+β 1(T-To) -l2 [1+ β2(T-To) ] =
= (l1-l2)+(l1 β1-l2 β2)(T-To)=
= Lo+(l1 β1-l2 β2)(T-To), (7) где Lo= L(To) - расстояние между торцом световодов и дном капсулы при значении температуры То;
L(T) - то же самое расстояние при значении температуры Т.
Изменение указанного расстояния пропорционально изменению температуры:
L(T)-L(To)= (l1 β1-l2 β2)(T-To) (8)
Для преобразования его в электрический сигнал использована известная зависимость коэффициента связи r по световому потоку между волокнами осветительного и приемного световодов в функции расстояния между торцом соединенных вместе световодов и отражателем. Типичный график этой зависимости показан на фиг. 2.
L(T)-L(To)= (l1 β1-l2 β2)(T-To) (8)
Для преобразования его в электрический сигнал использована известная зависимость коэффициента связи r по световому потоку между волокнами осветительного и приемного световодов в функции расстояния между торцом соединенных вместе световодов и отражателем. Типичный график этой зависимости показан на фиг. 2.
Максимального значения коэффициент связи r достигает при расстоянии L, равном приблизительно диаметру световодной жилы d. Выбирая рабочую точку в середине линейного участка восходящей ветви характеристики (rо, L(To)= 
), получим для коэффициента пропускания на участке торец световодов - дно капсулы: 
(
, (9) где а - коэффициент пропорциональности, откуда следует справедливость приведенной выше формулы (2).
Для исключения возможных деформаций капсулы при нагреве воздуха внутри ее полости последняя дренажным отверстием соединена с атмосферой.
Волоконно-оптический датчик температуры может быть реализован, например, на следующих элементах:
- светоизлучающий диод типа АЛ-107;
- кварцевые световоды с диаметром световодной жилы 20 мкм;
- капсула из алюминия с полированным дном;
- втулка из инвара;
- фотоприемник типа ФД-256;
- резиновая трубка;
- эпоксидный компаунд для фиксации концов световодов, втулки и капсулы.
- светоизлучающий диод типа АЛ-107;
- кварцевые световоды с диаметром световодной жилы 20 мкм;
- капсула из алюминия с полированным дном;
- втулка из инвара;
- фотоприемник типа ФД-256;
- резиновая трубка;
- эпоксидный компаунд для фиксации концов световодов, втулки и капсулы.
Так, при размерах капсулы и свободных концов световодов l1= l2= l= 15 мм чувствительность датчика будет равна: 
= 
)
что на порядок превышает чувствительность датчика, выбранного в качестве прототипа.
Таким образом, цель изобретения достигается путем изменения коэффициента оптической связи между осветительным и приемным световодами на участке торец соединенных вместе световодов - дно капсулы при изменении температуры.
(56) 1. Приборы и техника эксперимента, N 1, 1987, с. 21; Рябов А. С. Маврин В. Н. и др. Волоконно-оптический термометр.
2. Патент Японии N 61-213738/А, кл. G 01 K 11/12, 1987.
Claims (1)
- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий осветительный и приемный световоды, одним концы которых соединены вместе и помещены в капсулу с дном, обеспечивающим зеркальное отражение света, а противоположные подключены соответственно к источнику света и фотоприемнику, отличающийся тем, что оба световода заключены в водонепроницаемую трубу, торец соединенных вместе световодов расположен вблизи дна капсулы на расстоянии, равном половине диаметра d световодной жилы, капсула и световоды изготовлены из материалов с коэффициентами линейного теплового расширения соответственно β1 и β2, концы соединенных вместе световодов закреплены во втулке, последняя закреплена в капсуле, при этом торец втулки удален от дна капсулы на расстояние l1 = l2 + d/2, где l2 - длина свободных концов соединенных вместе световодов, связанная с l1 соотношением l1β1-l2β2=, где α - чувствительность датчика, а полость капсулы, образованная ее стенкой, торцом втулки и поверхностью свободных концов световодов, дренажным отверстием соединена с полостью трубки.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU915017512A RU2008630C1 (ru) | 1991-12-17 | 1991-12-17 | Волоконно-оптический датчик температуры |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU915017512A RU2008630C1 (ru) | 1991-12-17 | 1991-12-17 | Волоконно-оптический датчик температуры |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008630C1 true RU2008630C1 (ru) | 1994-02-28 |
Family
ID=21592042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU915017512A RU2008630C1 (ru) | 1991-12-17 | 1991-12-17 | Волоконно-оптический датчик температуры |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2008630C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2552399C1 (ru) * | 2013-11-13 | 2015-06-10 | ЗАО "Лазер Солюшенс" | Распределенный волоконно-оптический сенсор температуры повышенной чувствительности |
| RU2795841C1 (ru) * | 2022-01-28 | 2023-05-12 | Татьяна Ивановна Мурашкина | Волоконно-оптический датчик температуры |
-
1991
- 1991-12-17 RU SU915017512A patent/RU2008630C1/ru active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2552399C1 (ru) * | 2013-11-13 | 2015-06-10 | ЗАО "Лазер Солюшенс" | Распределенный волоконно-оптический сенсор температуры повышенной чувствительности |
| RU2795841C1 (ru) * | 2022-01-28 | 2023-05-12 | Татьяна Ивановна Мурашкина | Волоконно-оптический датчик температуры |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4342919A (en) | Fiber optical measuring device | |
| US4703175A (en) | Fiber-optic sensor with two different wavelengths of light traveling together through the sensor head | |
| US4699511A (en) | Refraction sensor | |
| Villatoro et al. | Low-cost optical fiber refractive-index sensor based on core diameter mismatch | |
| US5004913A (en) | Remote measurement of physical variables with fiber optic systems - methods, materials and devices | |
| US5183338A (en) | Temperature measurement with combined photo-luminescent and black body sensing techniques | |
| US4201446A (en) | Fiber optic temperature sensor using liquid component fiber | |
| US5677769A (en) | Optical sensor utilizing rare-earth-doped integrated-optic lasers | |
| US5396325A (en) | Optical sensor | |
| US5302025A (en) | Optical systems for sensing temperature and other physical parameters | |
| Chaudhari et al. | Multi-wavelength optical fiber liquid refractometry based on intensity modulation | |
| US4302970A (en) | Optical temperature probe employing rare earth absorption | |
| US4671651A (en) | Solid-state optical temperature measuring device | |
| US7085452B1 (en) | Optical devices having WGM cavity coupled to side-polished port | |
| JPS59160729A (ja) | 光学繊維温度計 | |
| RU2008630C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик температуры | |
| US5349181A (en) | Fiber optic chemical sensor having specific channel connecting design | |
| Grattan | Fibre-optic sensors for temperature, pressure and flow measurement | |
| SU922538A1 (ru) | Устройство дл дистанционного измерени температуры | |
| Christensen et al. | A fiberoptic temperature sensor using wavelength-dependent detection | |
| JPH0219730A (ja) | 光ファイバ温度センサ | |
| FI78353C (fi) | Fiberoptiska temperaturmaetfoerfarande och -anordning. | |
| Meltz et al. | Multi-wavelength twin-core fiber optic sensors | |
| SU1684629A1 (ru) | Рефрактометр | |
| SU1425473A1 (ru) | Датчик температуры |