RU2459222C1 - Fibre spark and electric arc sensor - Google Patents
Fibre spark and electric arc sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2459222C1 RU2459222C1 RU2010153036/28A RU2010153036A RU2459222C1 RU 2459222 C1 RU2459222 C1 RU 2459222C1 RU 2010153036/28 A RU2010153036/28 A RU 2010153036/28A RU 2010153036 A RU2010153036 A RU 2010153036A RU 2459222 C1 RU2459222 C1 RU 2459222C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- sensor
- radiation
- cylindrical lens
- spark
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках искрения и электрической дуги.The invention relates to fiber optics and can be used in fiber optic sensors of sparking and electric arc.
Предшествующий уровень техникиState of the art
При разработке систем аварийной защиты высоковольтного и электрораспределительного оборудования при возникновении электрического искрения или электрической дуги встает задача индикации этого искрения или дуги, определения их местоположения и мощности. В механических устройствах может возникать искрение за счет трения или ударов механических узлов, что увеличивает их износ, может приводить к аварийным ситуациям и пожару или взрыву в присутствии легковоспламеняющихся веществ. Задача индикации искрения и электрической дуги возникает на электростанциях, в высоковольтных установках, на линиях электропередачи, на пожаро- и взрывоопасных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в шахтах и на транспорте.When developing emergency protection systems for high-voltage and electrical distribution equipment in the event of electric sparking or electric arc, the task arises of indicating this sparking or arc, determining their location and power. In mechanical devices, sparking can occur due to friction or impacts of mechanical components, which increases their wear and tear, can lead to emergency situations and a fire or explosion in the presence of flammable substances. The task of indicating sparking and electric arcs arises in power plants, in high-voltage installations, on power lines, in fire and explosive enterprises of the chemical and oil refining industries, in mines and in transport.
Известно фотореле «Молния-2» [Современные средства релейной защиты и противоаварийной автоматики. Каталог спецэкспозиции. М.: Союзтехэнерго. 1989. с.15], предназначенное для подачи сигнала на аварийное отключение комплексных распределительных устройств при возникновении в них электрической дуги или короткого замыкания. Устройство срабатывает при условии непосредственного попадания света от электрической дуги на фотодетектор. Недостатком устройства является возможность его ложного срабатывания в условиях сильных электромагнитных помех и высокой напряженности электрических полей в высоковольтных установках.Known photorelay "Lightning-2" [Modern means of relay protection and emergency automation. Special Exposure Catalog. M .: Soyuztekhenergo. 1989. p.15], designed to signal the emergency shutdown of complex distribution devices when an electric arc or short circuit occurs in them. The device is triggered if light from the electric arc directly hits the photodetector. The disadvantage of this device is the possibility of its false operation in conditions of strong electromagnetic interference and high electric fields in high-voltage installations.
Известно устройство дуговой защиты УДЗ-1 [Никитаев О.В., Селиванин А.У. Применение дуговых защит в комплексных распределительных устройствах сельскохозяйственных подстанций. Эксплуатация устройств сельскохозяйственного электроснабжения. Сборник научных трудов. М., 1989. с.44], состоящее из полимерного волокна и фотодетектора. Часть излучения электрической дуги, попадающего на волокно, за счет светорассеяния в полимере преобразуется в волноводную моду и поступает на фотодетектор. Недостатком устройства являются высокие потери коротковолновой части излучения электрической дуги в полимерном волокне, что уменьшает чувствительность устройства.A device for arc protection UDZ-1 [Nikitaev OV, Selivanin A.U. The use of arc protection in complex switchgears of agricultural substations. Operation of agricultural power supply devices. Collection of scientific papers. M., 1989. p.44], consisting of a polymer fiber and a photodetector. Part of the radiation of the electric arc incident on the fiber, due to light scattering in the polymer, is converted into a waveguide mode and fed to the photodetector. The disadvantage of this device is the high loss of the short-wave part of the radiation of the electric arc in the polymer fiber, which reduces the sensitivity of the device.
Известно устройство дуговой защиты [RU №2096887], в состав которого входит эластичный оптоволоконный жгут со светопроницаемой оболочкой, к одному из концов которого подключен фотодетектор. Недостатком устройства является отсутствие возможности определения местоположения дуги и ее мощности. Недостатком устройства является также относительно его низкая чувствительность, связанная с низкой эффективностью преобразования излучения электрической дуги в волноводные моды и высокими потерями коротковолновой части оптического сигнала в волокне.A device for arc protection [RU No. 2096887], which includes an elastic fiber optic bundle with a translucent sheath, is connected to one end of which a photodetector is known. The disadvantage of this device is the inability to determine the location of the arc and its power. A disadvantage of the device is also its relatively low sensitivity, associated with the low efficiency of conversion of electric arc radiation into waveguide modes and high losses of the short-wavelength part of the optical signal in the fiber.
Известны волоконные датчики с чувствительными элементами на основе полимерного волокна с флуоресцентными добавками, которые применяются как позиционно-чувствительные устройства [M.F.Laguesse // Appl. Opt. 1989. V.28. №23. P.5144] и как сенсоры ионизирующих излучений. Недостатком таких датчиков являются высокие потери полезного оптического сигнала в полимерном волокне.Known fiber sensors with sensitive elements based on polymer fibers with fluorescent additives, which are used as position-sensitive devices [M.F. Laguesse // Appl. Opt. 1989. V.28. Number 23. P.5144] and as sensors of ionizing radiation. The disadvantage of such sensors is the high loss of the useful optical signal in the polymer fiber.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги [RU №2237332 С2], выбранный в качестве прототипа, чувствительным элементом которого является нерегулярный волоконный световод со светопроницаемой оболочкой. Противоположные концы световода подключены к фотоэлектронным преобразователям, что позволяет не только регистрировать возникновение электрической дуги, но и определять ее местоположение и мощность.The closest technical solution to the proposed one is a fiber-optic sensor of an open electric arc [RU No. 2237332 C2], selected as a prototype, the sensitive element of which is an irregular fiber waveguide with a translucent sheath. The opposite ends of the fiber are connected to photoelectric converters, which allows not only to detect the occurrence of an electric arc, but also to determine its location and power.
Недостатком устройства является его относительно низкая чувствительность, связанная с низкой эффективностью преобразования излучения электрической дуги в волноводные моды и высокими потерями коротковолновой части оптического сигнала в световоде. Недостатком является также то, что для повышения чувствительности датчика требуется увеличение длины его чувствительного элемента, до 30 см и более [Ю.П.Казачков // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. Вып.20. с.73]. Недостатком является также относительно низкое пространственное разрешение датчика (не лучше 1 м при длине волокна более 5 м), что исключает возможность его применения для индикации искрения и электрической дуги в малогабаритных устройствах.The disadvantage of this device is its relatively low sensitivity, associated with the low efficiency of conversion of electric arc radiation into waveguide modes and high losses of the short-wavelength part of the optical signal in the fiber. The disadvantage is that to increase the sensitivity of the sensor requires an increase in the length of its sensitive element, up to 30 cm or more [Yu.P. Kazachkov // Letters to the ZhTF. 2008.V. 34. Issue 20. p.73]. The disadvantage is the relatively low spatial resolution of the sensor (not better than 1 m with a fiber length of more than 5 m), which excludes the possibility of its use for indicating sparking and electric arc in small-sized devices.
Изобретение решает задачу повышения чувствительности, пространственного разрешения и уменьшения габаритов чувствительного элемента датчика.The invention solves the problem of increasing sensitivity, spatial resolution and reducing the size of the sensor element.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.The essence of the proposed technical solution is as follows.
Поставленная задача решается за счет того, что волоконный датчик, так же как известный, содержит чувствительный элемент в виде волокна. Но в отличие от известного чувствительный элемент датчика выполнен из оптического волокна, участок которого имеет покрытие в виде слоя полимера с добавкой флуоресцентного вещества с полосой флуоресценции в спектральном интервале 500-1600 нм.The problem is solved due to the fact that the fiber sensor, as well as known, contains a sensing element in the form of fibers. But unlike the known sensor element, the sensor is made of optical fiber, a portion of which is coated in the form of a polymer layer with the addition of a fluorescent substance with a fluorescence band in the spectral range of 500-1600 nm.
Излучение искры или электрической дуги, попадающее на полимерное покрытие с флуоресцентной добавкой, возбуждает в нем флуоресценцию в спектральном интервале 500-1600 нм. Молекулы флуоресцентного вещества являются излучающими диполями. Излучение диполя, расположенного в непосредственной близости от оптического волновода или волокна, эффективно преобразуется в волноводные моды [В.Soler, D.Hall // JOSA В. 2002. V.19. №10. 2437]. Это дает возможность повысить эффективность преобразования излучения от искры или дуги в полезный оптический сигнал по сравнению с конструкцией, в которой излучение падает на волокно без покрытия. Использование флуоресцентного вещества с полосой флуоресценции в спектральном интервале 500-1600 нм позволяет преобразовать коротковолновую часть спектра излучения искры или дуги в излучение, попадающее в длинноволновую часть видимой области спектра или в ближний ИК-диапазон. Это дает возможность уменьшить потери оптического сигнала в волокне, так как потери, связанные со светорассеянием в волокне, уменьшаются при увеличении длины волны пропорционально 1/λ4. Оптический сигнал, преобразованный в спектральный интервал 500-1600 нм, попадает в спектральную область максимальной чувствительности кремниевых и арсенид-галлиевых фотоприемников, что также повышает чувствительность устройства.Radiation from a spark or an electric arc incident on a polymer coating with a fluorescent additive excites fluorescence in it in the
Совокупность признаков, изложенных в п.2 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором волокно чувствительного элемента изготовлено из силикатного или кварцевого стекла. Использование стеклянного, а не полимерного волокна в чувствительном элементе позволяет уменьшить потери оптического сигнала и тем самым повысить чувствительность датчика.The combination of features set forth in
Совокупность признаков, изложенных в п.3 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором полимерное покрытие оптического волокна датчика имеет форму периодического гофра или спирали. Применение гофрированного или спирального полимерного периодического покрытия позволяет увеличить площадь поверхности покрытия, что увеличивает амплитуду оптического сигнала в волокне. Гофрированные и спиральные периодические покрытия повышают эффективность преобразования мод оболочки волокна в моды сердцевины волокна [Т.Erdogan // J.Lightwave Techn. 1997. V.15. №8. P.1277]. Это также приводит к увеличению амплитуды оптического сигнала в волокне. Кроме того, длиннопериодные волоконные решетки широко применяются в качестве чувствительных элементов в волоконных датчиках температуры, давления и механических напряжений [S.W.James, R.P.Tatam II Measur. Sci. and TechnoL, 2003. V.14, P.R49-R61]. Это позволяет расширить функциональные возможности датчика искры и дуги и использовать его для измерения других характеристик и параметров объекта.The combination of features set forth in
Совокупность признаков, изложенных в п.4 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором на одном волокне в продольном направлении нанесено несколько участков покрытий с флуоресцентными добавками, имеющими полосы флуоресценции в разных участках оптического спектра. В этом случае, при использовании спектральной фильтрации оптического сигнала на выходе волокна, появляется возможность раздельно регистрировать излучение от источников искрения, разнесенных в пространстве вдоль волокна.The combination of features set forth in claim 4 of the formula characterizes a fiber sensor in which several sections of coatings with fluorescent additives having fluorescence bands in different parts of the optical spectrum are applied on a single fiber in the longitudinal direction. In this case, when using spectral filtering of an optical signal at the fiber output, it becomes possible to separately register radiation from spark sources spaced in space along the fiber.
Совокупность признаков, изложенных в п.5 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором параллельно участку волокна с покрытием расположена цилиндрическая линза в виде стеклянного или полимерного стержня диаметром 3-10 мм с поперечным сечением в форме круга или сегмента круга. Применение цилиндрической линзы в виде стеклянного или полимерного стержня, расположенного параллельно участку волокна с покрытием, позволяет за счет фокусировки падающего излучения на поверхность волокна увеличить амплитуду полезного сигнала. Это позволяет также увеличить пространственное разрешение датчика, так как на волокно будет попадать излучение от источника, расположенного вблизи плоскости, проходящей через ось волокна и ось цилиндрической линзы. Излучение от источников, расположенных вдали от этой плоскости, будет фокусироваться линзой на участки периметра линзы вне области расположения волокна с покрытием.The combination of features set forth in
Совокупность признаков, изложенных в п.6 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором участок волокна с покрытием расположен между цилиндрической линзой и дополнительно введенным цилиндрическим отражателем с зеркальным или диффузным отражающим слоем и радиусом, не превышающим радиус цилиндрической линзы. Цилиндрический отражатель, расположенный за волокном по отношению к цилиндрической линзе, позволяет вернуть на покрытие волокна часть излучения, не поглощенного покрытием, а также часть излучения флуоресценции, не преобразованного в волноводную моду. Это позволяет увеличить амплитуду полезного сигнала. Увеличение амплитуды полезного сигнала дает возможность уменьшить продольный габарит чувствительного элемента датчика в 5-10 раз по сравнению с прототипом, без ущерба для его чувствительности и пространственной разрешающей способности. Наличие цилиндрической линзы и отражателя, фокусирующих излучение искры на волокне, дает возможность сузить диаграмму направленности датчика и тем самым увеличить его пространственную разрешающую способность.The set of features set forth in
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить чувствительность и пространственное разрешение волоконного датчика искры и электрической дуги, уменьшить габариты его чувствительного элемента и расширить его функциональные возможности.Thus, the proposed technical solution allows to increase the sensitivity and spatial resolution of the fiber sensor of the spark and electric arc, reduce the size of its sensitive element and expand its functionality.
Описание чертежейDescription of drawings
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
На фиг.1, а схематично показан пример выполнения волоконного датчика искры и электрической дуги в продольном направленииFigure 1, a schematically shows an example of the implementation of a fiber sensor spark and electric arc in the longitudinal direction
На фиг.1, б схематично показан чувствительный элемент волоконного датчика в поперечном сечении.Figure 1, b schematically shows the sensing element of the fiber sensor in cross section.
На фиг.1, в схематично показан чувствительный элемент волоконного датчика в поперечном сечении. 1 - волокно с покрытием, с цилиндрической линзой с поперечным сечением в виде сектора круга.1, a schematic cross-sectional view of a sensor element of a fiber sensor is shown. 1 - coated fiber, with a cylindrical lens with a cross section in the form of a sector of a circle.
На фиг.2, а показаны спектры флуоресценции органических красителей. 1' - родамин 6G, 2' - родамин В, 3' - нильский голубой.Figure 2, a shows the fluorescence spectra of organic dyes. 1 '- rhodamine 6G, 2' - rhodamine B, 3 '- Nile blue.
На фиг.2, б схематично показана структурная схема волоконного датчика искры с тремя чувствительными элементами, в которых использованы красители с разными спектрами флуоресценции.Figure 2, b schematically shows the structural diagram of a fiber spark sensor with three sensitive elements, in which dyes with different fluorescence spectra are used.
На фиг.3, а схематично показана оптическая схема измерения диаграммы направленности макета чувствительного элемента датчика электрической искры.Figure 3, a schematically shows an optical scheme for measuring the radiation pattern of the layout of the sensitive element of the electric spark sensor.
На фиг.3, б показана экспериментально измеренная диаграмма направленности макета чувствительного элемента датчика электрической искры в горизонтальной плоскости.Figure 3, b shows the experimentally measured pattern of the layout of the sensitive element of the electric spark sensor in the horizontal plane.
На фиг.3, в показана экспериментально измеренная диаграмма направленности макета чувствительного элемента датчика электрической искры в вертикальной плоскости.Figure 3, c shows the experimentally measured pattern of the layout of the sensitive element of the electric spark sensor in a vertical plane.
Далее сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.Further, the invention is disclosed by an example, which should not be construed by an expert as limiting the claims of the invention.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention
Пример 1.Example 1
Чувствительный элемент датчика (фиг.1а, б) состоит из оптического волокна 1 без оболочки, изготовленного из кварцевого стекла. Диаметр волокна 220 мкм. Участок волокна длиной 20 мм имеет покрытие 2 в виде слоя полимера (нитроцеллюлоза или поливиниловый спирт). Толщина покрытия 20 мкм. В полимер добавлен органический краситель родамин 6G с концентрацией 0.5%. Родамин 6G имеет полосы поглощения в спектральном интервале 450-550 нм и в УФ-области спектра и полосу люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Выбор в качестве материалов полимерного покрытия нитроцеллюлозы или поливинилового спирта обусловлен тем, что в данных материалах может быть реализована высокая интенсивность люминесценции родамина 6G. Параллельно участку волокна с покрытием и вплотную к нему расположена цилиндрическая линза 3 в виде стеклянного стержня диаметром 4.8 мм с поперечным сечением в форме круга и длиной 30 мм.The sensor element of the sensor (figa, b) consists of an optical fiber 1 without a shell made of quartz glass. The fiber diameter is 220 microns. A 20 mm fiber section has a coating of 2 in the form of a polymer layer (nitrocellulose or polyvinyl alcohol). Coating thickness 20 microns. The organic dye rhodamine 6G with a concentration of 0.5% was added to the polymer. Rhodamine 6G has absorption bands in the spectral range 450-550 nm and in the UV region and a luminescence band in the spectral range 560-650 nm. The choice of polymer coating materials as nitrocellulose or polyvinyl alcohol is due to the fact that high luminescence intensity of rhodamine 6G can be realized in these materials. Parallel to and adjacent to the coated fiber section is a
Устройство работает следующим образом. Излучение от искры или дуги проходит через цилиндрическую линзу 3 и концентрируется на поверхности волокна 1 с покрытием 2. Часть излучения, попадающего в полосы поглощения родамина 6G, поглощается им и преобразуется в излучение люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Излучение молекул родамина 6G, расположенных в непосредственной близости от оптического волокна, преобразуется в волноводные моды и направляется к фотоприемному устройству. При проведении измерений в качестве фотоприемного устройства использован кремниевый фотодиод BPW20RF, включенный в фотодиодном режиме без усилителя. В качестве источника излучения использована галогенная лампа мощностью 20 Вт с диффузным отражателем, расположенная на расстоянии 25 см от чувствительного элемента. Ниже приведены экспериментально измеренные сигналы фотоприемника для чувствительного элемента, выполненного в соответствии с заявляемым техническим решением, и контрольных чувствительных элементов одинаковой длины:The device operates as follows. Radiation from a spark or arc passes through a
1. Чувствительный элемент с полимерным покрытием и цилиндрической линзой: 17.8 мВ;1. Sensitive element with a polymer coating and a cylindrical lens: 17.8 mV;
2. Чувствительный элемент с полимерным покрытием без цилиндрической линзы: 2.8 мВ;2. A sensitive element with a polymer coating without a cylindrical lens: 2.8 mV;
3. Чувствительный элемент в виде волокна из кварцевого стекла диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: менее 0.1 мВ.3. Sensitive element in the form of silica glass fiber with a diameter of 220 microns without a polymer coating and without a cylindrical lens: less than 0.1 mV.
4. Чувствительный элемент в виде волокна из полиамида диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: менее 0.1 мВ.4. Sensitive element in the form of polyamide fiber with a diameter of 220 microns without a polymer coating and without a cylindrical lens: less than 0.1 mV.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить чувствительность волоконного датчика в 178 раз по сравнению с датчиком, имеющим чувствительный элемент в виде волокна без покрытия. При этом продольный габарит датчика составляет 20 мм.Thus, the proposed technical solution allows to increase the sensitivity of the fiber sensor 178 times in comparison with a sensor having a sensitive element in the form of fiber without coating. In this case, the longitudinal dimension of the sensor is 20 mm.
Для увеличения оптического сигнала, собираемого в волокно чувствительного элемента, используют цилиндрический отражатель 4 из А1 или диффузно отражающее покрытие из диоксида титана, расположенные за цилиндрической линзой и волокном (фиг.1, в). Длина отражателя равна 30 мм.To increase the optical signal collected in the fiber of the sensing element, a cylindrical reflector 4 of A1 or a diffusely reflecting titanium dioxide coating located behind the cylindrical lens and fiber is used (Fig. 1, c). The length of the reflector is 30 mm.
Излучение, не попавшее на волокно 1 с покрытием, а также часть излучения люминесценции, не прошедшая в сердцевину волокна, отражаются цилиндрическим отражателем 4 и возвращаются на волокно с покрытием. Таким образом, цилиндрический отражатель, расположенный за волокном и цилиндрической линзой, позволяет вернуть на покрытие волокна часть излучения, не поглощенного покрытием, а также часть излучения флуоресценции, не преобразованного в волноводную моду. При проведении измерений в качестве фотоприемного устройства использован кремниевый фотодиод BPW20RF, включенный в фотодиодном режиме без усилителя. В качестве источника излучения использована галогенная лампа мощностью 20 Вт с диффузным отражателем, расположенная на расстоянии 25 см от чувствительного элемента. Ниже приведены экспериментально измеренные сигналы фотоприемника для чувствительного элемента, выполненного в соответствии с заявляемым техническим решением, и контрольного чувствительного элемента одинаковой длины:Radiation not incident on the coated fiber 1, as well as part of the luminescence radiation not transmitted on the fiber core, is reflected by a cylindrical reflector 4 and returned to the coated fiber. Thus, a cylindrical reflector, located behind the fiber and the cylindrical lens, allows you to return to the fiber coating part of the radiation not absorbed by the coating, as well as part of the fluorescence radiation not converted to the waveguide mode. During measurements, a BPW20RF silicon photodiode included in the photodiode mode without an amplifier was used as a photodetector. A 20 W halogen lamp with a diffuse reflector located at a distance of 25 cm from the sensitive element was used as a radiation source. Below are the experimentally measured signals of the photodetector for a sensitive element made in accordance with the claimed technical solution, and a control sensitive element of the same length:
1. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, цилиндрической линзой и цилиндрическим зеркальным отражателем: 22.4 мВ.1. Sensitive element with a polymer coating, a cylindrical lens and a cylindrical mirror reflector: 22.4 mV.
2. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, цилиндрической линзой и цилиндрическим диффузным отражателем: 20.8 мВ.2. Sensitive element with a polymer coating, a cylindrical lens and a cylindrical diffuse reflector: 20.8 mV.
3. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, с цилиндрической линзой, без цилиндрического отражателя: 17.8 мВ.3. Sensitive element with a polymer coating, with a cylindrical lens, without a cylindrical reflector: 17.8 mV.
Таким образом, использование цилиндрического отражателя позволяет увеличить сигнал датчика в 1.2-1.3 раза по сравнению с датчиком без отражателя и в 224 раза по сравнению с датчиком, имеющим чувствительный элемент в виде волокна без покрытия.Thus, the use of a cylindrical reflector allows to increase the sensor signal by 1.2-1.3 times compared to a sensor without a reflector and 224 times compared to a sensor having a sensitive element in the form of fiber without coating.
На одном волокне в продольном направлении может быть размещено несколько чувствительных элементов с флуоресцентными добавками, имеющими полосы флуоресценции в разных участках спектра. Например, родамин 6G (λ=550-650 им), родамин В (λ=650-700 нм) и нильский голубой (λ=700-800 нм). В скобках указаны спектральные области люминесценции. Спектры флуоресценции данных красителей показаны на фиг.2, а. В этом случае, при использовании спектральной фильтрации оптического сигнала на выходе волокна, появляется возможность раздельно регистрировать излучение от источников, разнесенных в пространстве вдоль волокна (фиг.2, б).Several sensing elements with fluorescence additives having fluorescence bands in different parts of the spectrum can be placed on one fiber in the longitudinal direction. For example, rhodamine 6G (λ = 550-650 im), rhodamine B (λ = 650-700 nm) and Nile blue (λ = 700-800 nm). In parentheses are the spectral regions of luminescence. The fluorescence spectra of these dyes are shown in figure 2, a. In this case, when using spectral filtering of the optical signal at the output of the fiber, it becomes possible to separately register radiation from sources spaced in space along the fiber (FIG. 2, b).
Измерение диаграммы направленности макета датчика проводилось в двух плоскостях - горизонтальной и вертикальной (Фиг.3, а). На фиг.3, б и фиг.3, в показаны экспериментально измеренные диаграммы направленности макета датчика в двух плоскостях. Из фигур видно, что в вертикальной плоскости диаграмма направленности соответствует 60°, в горизонтальной плоскости 15°. Таким образом, в горизонтальной плоскости обеспечивается пространственное разрешение 25 см при расстоянии до источника излучения, равном 1 м.The measurement of the radiation pattern of the sensor layout was carried out in two planes - horizontal and vertical (Figure 3, a). Figure 3, b and figure 3, c shows the experimentally measured radiation patterns of the sensor layout in two planes. The figures show that in the vertical plane the radiation pattern corresponds to 60 °, in the horizontal plane 15 °. Thus, in the horizontal plane, a spatial resolution of 25 cm is ensured at a distance to the radiation source of 1 m.
Таким образом, предлагаемое техническое решение дает возможность повысить эффективность преобразования излучения от искры или дуги в полезный оптический сигнал по сравнению с конструкцией, в которой излучение падает на волокно без покрытия. Использование флуоресцентного вещества с полосой флуоресценции в спектральном интервале 560-650 нм позволяет преобразовать коротковолновую часть спектра излучения искры или дуги в излучение, попадающее в длинноволновую часть видимой области спектра. Это дает возможность уменьшить потери оптического сигнала в волокне, так как потери, связанные со светорассеиванием в волокне, уменьшаются при увеличении длины волны пропорционально 1/λ4. Оптический сигнал, преобразованный в спектральный интервал 560-650 нм, попадает в спектральную область максимальной чувствительности кремниевых фотоприемников, что также повышает чувствительность устройства. В устройстве могут быть использованы, например, следующие красители (в скобках указаны спектральные области люминесценции): родамин 6G (λ=550-650 нм), родамин В (λ=650-700 нм), нильский голубой (λ=700-800 нм), полиметиновый №118 (λ=850-950 нм). Излучение люминесценции данных красителей попадает в полосу максимальной чувствительности кремниевого фотодиода (λ=650-1000 нм). При использовании устройства в условиях яркого фонового освещения, например в помещении с ярким освещением либо на открытом пространстве, цилиндрическая линза может быть закрыта оптическим фильтром, полностью или частично отсекающим видимую область спектра и пропускающим УФ-излучение. В качестве фильтров могут быть использованы цветные оптические стекла СЗС8 (λ=350-550 нм), ФС6 (λ=300-450 нм), УФС5 (λ=250-400 нм). В скобках указаны спектральные области пропускания стекол.Thus, the proposed technical solution makes it possible to increase the conversion efficiency of radiation from a spark or arc into a useful optical signal in comparison with a design in which radiation is incident on an uncoated fiber. The use of a fluorescent substance with a fluorescence band in the spectral range of 560-650 nm allows us to convert the short-wavelength part of the emission spectrum of a spark or arc into radiation that falls into the long-wavelength part of the visible spectrum. This makes it possible to reduce the loss of the optical signal in the fiber, since the losses associated with light scattering in the fiber decrease with increasing wavelength in proportion to 1 / λ 4 . An optical signal converted to a spectral range of 560-650 nm falls into the spectral region of the maximum sensitivity of silicon photodetectors, which also increases the sensitivity of the device. For example, the following dyes can be used in the device (the luminescence spectral regions are indicated in parentheses): rhodamine 6G (λ = 550-650 nm), rhodamine B (λ = 650-700 nm), Nile blue (λ = 700-800 nm ), polymethine No. 118 (λ = 850-950 nm). The luminescence radiation of these dyes falls into the maximum sensitivity band of the silicon photodiode (λ = 650-1000 nm). When using the device in conditions of bright background lighting, for example, in a room with bright lighting or in open space, the cylindrical lens can be covered by an optical filter that completely or partially cuts off the visible region of the spectrum and transmits UV radiation. As filters, colored optical glasses SZS8 (λ = 350-550 nm), FS6 (λ = 300-450 nm), UFS5 (λ = 250-400 nm) can be used. In parentheses are the spectral transmission regions of the glasses.
Применение цилиндрической линзы в виде стеклянного или полимерного стержня, расположенного параллельно участку волокна с покрытием, позволяет за счет фокусировки падающего излучения на поверхность волокна увеличить амплитуду полезного сигнала. Это позволяет также увеличить пространственное разрешение датчика, так как на волокно будет попадать излучение от источника, расположенного вблизи плоскости, проходящей через ось волокна и ось цилиндрической линзы. Излучение от источников, расположенных вдали от этой плоскости, будет фокусироваться линзой на участки периметра линзы вне области расположения волокна с покрытием.The use of a cylindrical lens in the form of a glass or polymer rod located parallel to the coated fiber section allows increasing the amplitude of the useful signal by focusing the incident radiation on the fiber surface. This also allows to increase the spatial resolution of the sensor, since radiation from the source located near the plane passing through the fiber axis and the axis of the cylindrical lens will fall on the fiber. Radiation from sources located far from this plane will be focused by the lens on the perimeter of the lens outside the area of the coated fiber.
Пример 2.Example 2
Чувствительный элемент датчика состоит из оптического волокна 1, изготовленного из кварцевого стекла. Диаметр волокна 220 мкм. Участок волокна длиной 20 мм имеет покрытие 2 в виде гофрированного слоя полимера (нитроцеллюлоза или поливиниловый спирт) с добавкой родамина 6G и с периодом гофра 0.8 мм или в виде полимерной спирали из полиэтиленового волокна диаметром 100 мкм, причем зазоры между витками спирали заполнены полимером (нитроцеллюлоза или поливиниловый спирт) с добавкой родамина 6G.The sensor element consists of an optical fiber 1 made of quartz glass. The fiber diameter is 220 microns. A 20 mm long fiber section has a
Родамин 6G имеет полосы поглощения в спектральном интервале 450-550 нм и в УФ-области спектра и полосу люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Выбор в качестве материалов полимерного покрытия нитроцеллюлозы или поливинилового спирта обусловлен тем, что в данных материалах может быть реализована высокая интенсивность люминесценции родамина 6G. Параллельно участку волокна с покрытием и вплотную к нему расположена цилиндрическая линза 3 в виде стеклянного стержня диаметром 4.8 мм с поперечным сечением в форме круга и длиной 30 мм и цилиндрический отражатель из стекла с внутренним радиусом 2.2 мм и диффузно отражающим покрытием из диоксида титана, расположенный за цилиндрической линзой и волокном (фиг.1, в). Длина отражателя равна 30 мм.Rhodamine 6G has absorption bands in the spectral range 450-550 nm and in the UV region and a luminescence band in the spectral range 560-650 nm. The choice of polymer coating materials as nitrocellulose or polyvinyl alcohol is due to the fact that high luminescence intensity of rhodamine 6G can be realized in these materials. Parallel to and adjacent to the coated fiber section is a
Устройство работает следующим образом. Излучение от искры или дуги проходит через цилиндрическую линзу и концентрируется на поверхности волокна с покрытием. Часть излучения, попадающего в полосы поглощения родамина 6G, поглощается им и преобразуется в излучение люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Излучение молекул родамина 6G, расположенных в непосредственной близости от оптического волокна, преобразуется в волноводные моды и направляется к фотоприемному устройству. Гофрированное или спиральное полимерное периодическое покрытие позволяет увеличить площадь поверхности покрытия, что увеличивает амплитуду оптического сигнала в волокне. Гофрированные и спиральные периодические покрытия повышают эффективность преобразования мод оболочки волокна в моды сердцевины волокна [Т.Erdogan // J.Lightwave Techn. 1997. V.15. №8. P.1277]. Это приводит к увеличению амплитуды оптического сигнала в волокне по сравнению с покрытием без гофра или спирали.The device operates as follows. Radiation from a spark or arc passes through a cylindrical lens and concentrates on the surface of the coated fiber. A part of the radiation falling into the absorption bands of rhodamine 6G is absorbed by it and converted into luminescence radiation in the spectral range of 560-650 nm. The radiation of rhodamine 6G molecules located in the immediate vicinity of the optical fiber is converted into waveguide modes and sent to a photodetector. Corrugated or spiral polymer periodic coating allows you to increase the surface area of the coating, which increases the amplitude of the optical signal in the fiber. Corrugated and spiral periodic coatings increase the efficiency of the conversion of fiber sheath modes into fiber core modes [T. Erdogan // J. Lightwave Techn. 1997. V.15. No. 8. P.1277]. This leads to an increase in the amplitude of the optical signal in the fiber compared to a coating without corrugation or spiral.
При проведении измерений в качестве фотоприемного устройства использован кремниевый фотодиод BPW20RF, включенный в фотодиодном режиме без усилителя. В качестве источника излучения использована галогенная лампа мощностью 20 Вт с диффузным отражателем, расположенная на расстоянии 25 см от чувствительного элемента. Ниже приведены экспериментально измеренные сигналы фотоприемника для чувствительного элемента, выполненного в соответствии с заявляемым техническим решением с полимерным покрытием в виде спирали, и контрольных чувствительных элементов одинаковой длины (20 мм):During measurements, a BPW20RF silicon photodiode included in the photodiode mode without an amplifier was used as a photodetector. A 20 W halogen lamp with a diffuse reflector located at a distance of 25 cm from the sensitive element was used as a radiation source. The following are the experimentally measured signals of the photodetector for a sensitive element made in accordance with the claimed technical solution with a polymer coating in the form of a spiral, and control sensitive elements of the same length (20 mm):
1. Чувствительный элемент с полимерным покрытием и цилиндрической линзой: 26.3 мВ.1. Sensitive element with a polymer coating and a cylindrical lens: 26.3 mV.
2. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, цилиндрической линзой и цилиндрическим зеркальным отражателем: 33.5 мВ.2. Sensitive element with a polymer coating, a cylindrical lens and a cylindrical mirror reflector: 33.5 mV.
3. Чувствительный элемент с полимерным покрытием без цилиндрической линзы: 3.8 мВ.3. Sensitive element with a polymer coating without a cylindrical lens: 3.8 mV.
4. Чувствительный элемент в виде волокна из кварцевого стекла диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: менее 0.1 мВ.4. Sensitive element in the form of silica glass fiber with a diameter of 220 microns without a polymer coating and without a cylindrical lens: less than 0.1 mV.
5. Чувствительный элемент в виде волокна из полиамида диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: 0.1 мВ.5. Sensitive element in the form of polyamide fiber with a diameter of 220 microns without a polymer coating and without a cylindrical lens: 0.1 mV.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить чувствительность волоконного датчика в 335 раз по сравнению с датчиком, имеющим чувствительный элемент в виде волокна без покрытия. При этом продольный габарит датчика составляет 20 мм. Длиннопериодные волоконные решетки широко применяются в качестве чувствительных элементов в волоконных датчиках температуры, давления и механических напряжений [S.W.James, R.P.Tatam // Measur. Sci. and TechnoL, 2003. V.14, P.R49-R61]. Это позволяет расширить функциональные возможности датчика искры и дуги и использовать его для измерения других характеристик и параметров объекта.Thus, the proposed technical solution allows to increase the sensitivity of the fiber sensor by 335 times compared with a sensor having a sensor element in the form of fiber without coating. In this case, the longitudinal dimension of the sensor is 20 mm. Long-period fiber gratings are widely used as sensitive elements in fiber sensors of temperature, pressure and mechanical stress [S.W. James, R.P. Tatam // Measur. Sci. and TechnoL, 2003. V.14, P. R49-R61]. This allows you to expand the functionality of the spark and arc sensor and use it to measure other characteristics and parameters of the object.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить чувствительность и пространственное разрешение волоконного датчика искры и электрической дуги, уменьшить габариты его чувствительного элемента и расширить его функциональные возможности.Thus, the proposed technical solution allows to increase the sensitivity and spatial resolution of the fiber sensor of the spark and electric arc, reduce the size of its sensitive element and expand its functionality.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Волоконный датчик искры и электрической дуги по настоящему изобретению предназначен для использования в системах аварийной защиты высоковольтного и электрораспределительного оборудования для индикации искрения или дуги, определения их местоположения и мощности.The fiber spark and electric arc sensor of the present invention is intended for use in emergency protection systems of high voltage and electrical distribution equipment to indicate a spark or arc, to determine their location and power.
Волоконный датчик искры и электрической дуги по настоящему изобретению предназначен для использования в системах аварийной защиты механических устройств с вероятностью возникновения искрения за счет трения или ударов механических узлов, для уменьшения их износа и предотвращения аварийных ситуаций и пожара или взрыва в присутствии легковоспламеняющихся веществ.The fiber spark and electric arc sensor of the present invention is intended for use in emergency protection systems of mechanical devices with the likelihood of sparking due to friction or impacts of mechanical components, to reduce their wear and prevent accidents and fire or explosion in the presence of flammable substances.
Волоконный датчик искры и электрической дуги по настоящему изобретению предназначен для использования на электростанциях, в высоковольтных установках, на линиях электропередачи, на пожаро- и взрывоопасных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в шахтах и на транспорте.The fiber spark and electric arc sensor of the present invention is intended for use in power plants, in high voltage installations, on power lines, in fire and explosion hazardous chemical and petroleum refining enterprises, in mines and in transport.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010153036/28A RU2459222C1 (en) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | Fibre spark and electric arc sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010153036/28A RU2459222C1 (en) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | Fibre spark and electric arc sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010153036A RU2010153036A (en) | 2012-06-27 |
| RU2459222C1 true RU2459222C1 (en) | 2012-08-20 |
Family
ID=46681683
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010153036/28A RU2459222C1 (en) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | Fibre spark and electric arc sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2459222C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733051C1 (en) * | 2019-10-31 | 2020-09-29 | Ооо "Рза Системз" | Optical electric arc closure sensor |
| RU2766311C1 (en) * | 2021-07-06 | 2022-03-15 | Владимир Михайлович Левин | Fiber optical electric arc sensor |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10109952A1 (en) * | 2001-03-01 | 2002-09-05 | Moeller Gmbh | Stray light spark sensor, especially for switching systems, has optical element(s) with absorbable radiation fluorescence centers that amplifies stray light yield associated with base body |
| RU2237332C2 (en) * | 2002-10-07 | 2004-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники" | Open electric arc fiber-optic pickup |
-
2010
- 2010-12-23 RU RU2010153036/28A patent/RU2459222C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10109952A1 (en) * | 2001-03-01 | 2002-09-05 | Moeller Gmbh | Stray light spark sensor, especially for switching systems, has optical element(s) with absorbable radiation fluorescence centers that amplifies stray light yield associated with base body |
| RU2237332C2 (en) * | 2002-10-07 | 2004-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники" | Open electric arc fiber-optic pickup |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733051C1 (en) * | 2019-10-31 | 2020-09-29 | Ооо "Рза Системз" | Optical electric arc closure sensor |
| RU2766311C1 (en) * | 2021-07-06 | 2022-03-15 | Владимир Михайлович Левин | Fiber optical electric arc sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010153036A (en) | 2012-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4403826A (en) | Ultraviolet radiation detector | |
| ES2453953T3 (en) | Fiber optic measuring device | |
| US7668412B2 (en) | Systems and methods for detecting electric discharge | |
| CN108844919B (en) | Cladding reflection type inclined fiber grating refractive index sensor and manufacturing and measuring methods thereof | |
| CN105758434A (en) | FBG reflectance spectrum sensing demodulation method based on linear array InGaAs scanning | |
| RU2459222C1 (en) | Fibre spark and electric arc sensor | |
| CN104330191A (en) | Fiber grating temperature measuring device | |
| Sun et al. | Hybrid long-period-grating and fiber Bragg grating for cladding-mode-recoupling-based discrimination of temperature and strain | |
| Bal et al. | Temperature independent bend measurement using a pi-phase shifted FBG at twice the Bragg wavelength | |
| Agafonova et al. | Luminescent optical fibers with CdS (Se) quantum dots for spark detectors | |
| Dey et al. | Multimode fiber length dependence on spectral properties and sensitivity of single-multi-single mode (SMS) fiber combination | |
| KR20110043834A (en) | Demodulation system for fbg sensors using linearly arrayed photodetectors with optical dispersion devices | |
| Zhang et al. | Sensing properties of intrinsic Fabry-Perot interferometers in fiber tapers | |
| EP2547993B1 (en) | Infrared optical fibre sensor | |
| KR20180074278A (en) | The Fabrication Device Of Optical Bragg Grating | |
| Alwis et al. | Optical fibre refractive index sensor in a hybrid fibre grating configuration | |
| CN102680114A (en) | Whole optical fiber colorimetric temperature measuring method based on optical fiber bragg grating | |
| RU2715477C1 (en) | Arcing sensor | |
| Caucheteur et al. | Infrared radiation detection with matched fiber Bragg gratings | |
| Mądry et al. | The compact FBG-based humidity sensor setup | |
| Zhou et al. | An optical sensing system for the concentration of methane based on fiber Bragg gratings | |
| Barrington et al. | Experimental determination of 2 nd order phase matching turning points in long period gratings | |
| Wang et al. | Potential bending sensor based on small-period long-period gratings | |
| Liu et al. | Compact fiber bending sensor based on superimposed gratings | |
| JPH05249039A (en) | Optical fiber sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171224 |