RU2804474C1 - Method and fiber sensing element for determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases) - Google Patents
Method and fiber sensing element for determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804474C1 RU2804474C1 RU2022134123A RU2022134123A RU2804474C1 RU 2804474 C1 RU2804474 C1 RU 2804474C1 RU 2022134123 A RU2022134123 A RU 2022134123A RU 2022134123 A RU2022134123 A RU 2022134123A RU 2804474 C1 RU2804474 C1 RU 2804474C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- fbg
- radiation
- substances
- thermal characteristics
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Настоящие изобретения относятся к измерительным волоконно-оптическим технологиям, в частности, к области определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов).The present inventions relate to fiber-optic measuring technologies, in particular, to the field of determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases).
Известен способ для измерения теплофизических свойств газов, жидкостей и твердых тел и устройство для его осуществления [US4621929A, G01N 25/20, 11.11.1986]. Устройство для измерения теплофизических свойств газов, жидкостей и твердых тел, осуществляющее указанный способ, выполнено в полностью волоконном исполнении. Чувствительный элемент состоит из оптического волокна, на торец которого нанесен абсорбционный (поглощающий) фильтр, далее на этот фильтр нанесен слой люминофора и далее дополнительный отражающий слой. Способ измерения основан на том, что в результате воздействия излучения накачки на поглощающий фильтр происходит его нагрев, что влечет за собой нагрев люминофора и возбуждает его излучение, которое в обратном направлении распространяется по волокну к детектору. При изменении состава вещества изменяется и температура нагрева, что влияет на спектр излучения люминофора, таким образом, продемонстрирована возможность измерения теплопроводности.There is a known method for measuring the thermophysical properties of gases, liquids and solids and a device for its implementation [US4621929A, G01N 25/20, 11.11.1986]. The device for measuring the thermophysical properties of gases, liquids and solids, which implements the specified method, is made in an all-fiber design. The sensitive element consists of an optical fiber, on the end of which an absorption (absorbing) filter is applied, then a layer of phosphor is applied to this filter, and then an additional reflective layer. The measurement method is based on the fact that as a result of the action of pump radiation on the absorption filter, it heats up, which entails heating of the phosphor and excites its radiation, which propagates in the opposite direction along the fiber to the detector. When the composition of the substance changes, the heating temperature also changes, which affects the emission spectrum of the phosphor, thus demonstrating the possibility of measuring thermal conductivity.
Недостаток данной работы заключается в том, что, по указанию самих авторов, способ может быть применим для измерения теплопроводности и температуры для образцов с малой теплоемкостью.The disadvantage of this work is that, according to the authors themselves, the method can be applied to measure thermal conductivity and temperature for samples with low heat capacity.
Известен интерферометрический способ определения теплопроводности [B.J. White, J.P. Davis, L.C. Bobb, D.C. Larson, An Optical Fiber Thermal Conductivity Sensor, Presented at the Optical Fiber Sensors, 1988] и устройство для его осуществления. Устройство представляет собой изготовленный из двух сплавных ответвителей интерферометр Маха-Цендера. В измерительном плече такого волоконного интерферометра короткий участок оптического волокна покрыт проводящим покрытием (в работе используется золото). Свет от гелий-неонового лазера фокусировался на сердцевине входного волокна и детектировался фотодиодом на выходе. Способ определения заключается в том, что к участку волокна с золотым покрытием прикладывалось напряжение, которое резистивно нагревало его проходящим в токопроводящем покрытии током. Такой нагрев приводил к изменению показателя преломления сердцевины и термическому расширению, в результате чего возникало смещение интерференционной картины на выходе интерферометра. Таким образом, способ измерения заключался в том, что смещение интерференционной картины связано с температурным изменением, а теплопроводность определялась по скорости изменения температуры. Недостатком данных решений являлось использование внешнего резистивного нагрева, таким образом, способ может быть реализован только при наличии внешнего нагревателя.There is a known interferometric method for determining thermal conductivity [B.J. White, J.P. Davis, L.C. Bobb, D.C. Larson, An Optical Fiber Thermal Conductivity Sensor, Presented at the Optical Fiber Sensors, 1988] and a device for its implementation. The device is a Mach-Zehnder interferometer made of two alloy couplers. In the measuring arm of such a fiber interferometer, a short section of optical fiber is coated with a conductive coating (gold is used in the work). Light from a helium-neon laser was focused onto the input fiber core and detected by a photodiode at the output. The method of determination is that a voltage was applied to a section of the gold-coated fiber, which resistively heated it by current passing through the conductive coating. Such heating led to a change in the refractive index of the core and thermal expansion, resulting in a shift in the interference pattern at the output of the interferometer. Thus, the measurement method was that the displacement of the interference pattern was related to the temperature change, and the thermal conductivity was determined from the rate of temperature change. The disadvantage of these solutions was the use of external resistive heating, so the method can only be implemented with an external heater.
Известен интерферометрический способ измерения теплопроводности для определения состава различных жидкостей и устройство для его осуществления (оптического датчика теплопроводности) [All-optical, all-fiber, thermal conductivity sensor for identification and characterization of fluids, Ziga Matjasec, Denis Donlagic, 2017]. Устройство оптического датчика теплопроводности для определения состава различных жидкостей представляет собой отрезок высокопоглощающего волокна (легированного ванадием), сформированного как интерферометр Фабри-Перо. Длина отрезка такого волокна составляла 25 мм, при этом один его торец был покрыт тонкой пленкой из диоксида циркония, а с другой стороны его соединяли с подводящим волокном, и на месте соединения методом сращивания и травления было сформировано внутриволоконное зеркало. Способ измерения заключается в том, что при прохождении излучения через высокопоглощающее волокно оно нагревалось, и путем обработки сигнала интерферометра выдавались соответствующие зависимости между изменением температуры (зависящим от теплопроводности исследуемого вещества) и полученным сигналом. Недостатком данного устройства является использование специализированных волокон, легированных ванадием, и дорогостоящего оборудования для нанесения тонких пленок на торец волокна. Одним из недостатков способа является использование структуры Фабри-Перо в качестве измерительного устройства, что требует сложных алгоритмов обработки сигнала и больших ресурсов с точки зрения электроники.There is an interferometric method for measuring thermal conductivity to determine the composition of various liquids and a device for its implementation (optical thermal conductivity sensor) [All-optical, all-fiber, thermal conductivity sensor for identification and characterization of fluids, Ziga Matjasec, Denis Donlagic, 2017]. The optical thermal conductivity sensor device for determining the composition of various liquids is a piece of highly absorbing fiber (doped with vanadium) formed as a Fabry-Perot interferometer. The length of a piece of such fiber was 25 mm, while one end of it was covered with a thin film of zirconium dioxide, and on the other side it was connected to the supply fiber, and an intra-fiber mirror was formed at the connection site by splicing and etching. The measurement method consists in the fact that when radiation passed through a highly absorbing fiber, it was heated, and by processing the interferometer signal, the corresponding relationships were generated between the temperature change (depending on the thermal conductivity of the substance under study) and the received signal. The disadvantage of this device is the use of specialized fibers doped with vanadium and expensive equipment for applying thin films to the end of the fiber. One of the disadvantages of the method is the use of a Fabry-Perot structure as a measuring device, which requires complex signal processing algorithms and large resources from an electronics point of view.
Известно устройство волоконно-оптического датчика потока жидкости, в котором описан способ, при котором в разных веществах выведение одной и той же мощности на используемой в работе горячей проволоки приводит к различному нагреву из-за разницы значений удельной теплоемкости [Highly sensitive miniature fluidic flowmeter based on an FBG heated by Co2+-doped fiber, Zhengyong Liu, Lin Htein, Lun-Kai Cheng, Quincy Martina, Rob Jansen, and Hwa-Yaw Tam, 2017]. В качестве «горячей проволоки» в данной работе используются короткие участки многомодовых волокон, легированных Co2+ (легирование позволяет волокнам поглощать оптическое излучение, что приводит к их нагреву), а в качестве измерителя – решетка Брэгга, записанная в одномодовом оптическом волокне. Конструкция датчика подразумевает одномодовое волокно с волоконной брэгговской решеткой (ВБР), окруженное 4 идентичными многомодовыми волокнами, легированными Co2+. Все 5 волокон были вставлены в трубку из нержавеющей стали с внутренним и внешним диаметром 380 мкм и 500 мкм соответственно. В работе данный чувствительный элемент используется для анализа скорости потока, но часть исследования демонстрирует разницу между нагревом различных веществ при одной и той же мощности излучения. При этом недостатком данной работы является, во-первых, отсутствие исследования применения подобной разработанной конструкции в качестве измерителя каких-либо тепловых характеристик веществ, а во-вторых, использование специализированных типов многомодовых волокон.A device for a fiber-optic fluid flow sensor is known, which describes a method in which in different substances the output of the same power on the hot wire used in the work leads to different heating due to the difference in specific heat capacity [Highly sensitive miniature fluidic flowmeter based on an FBG heated by Co2+-doped fiber, Zhengyong Liu, Lin Htein, Lun-Kai Cheng, Quincy Martina, Rob Jansen, and Hwa-Yaw Tam, 2017]. In this work, short sections of multimode fibers doped with Co 2+ are used as a “hot wire” (doping allows the fibers to absorb optical radiation, which leads to their heating), and a Bragg grating recorded in a single-mode optical fiber is used as a meter. The sensor design involves a single-mode fiber Bragg grating (FBG) surrounded by 4 identical multimode Co 2+ doped fibers. All 5 fibers were inserted into a stainless steel tube with internal and external diameters of 380 μm and 500 μm, respectively. In the work, this sensitive element is used to analyze the flow rate, but part of the study demonstrates the difference between the heating of different substances at the same radiation power. At the same time, the disadvantage of this work is, firstly, the lack of research into the use of such a developed design as a meter for any thermal characteristics of substances, and secondly, the use of specialized types of multimode fibers.
Известен способ определения теплопроводности путем использования устройства со специальными видами волоконных дифракционных структур [All-fiber sensor based on a metallic coated hybrid LPG-FBG structure for thermal characterization of materials Silva, G. E.; Caldas, P.; Santos, J. C.; Santos, J. L., 2014]. Устройство включает два оптических волокна, одно из которых содержит две волоконные решетки: одну длиннопериодную, другую – брэгговскую решетку, расположенные на расстоянии 5 мм друг от друга, а второе волокно содержит только одну ВБР. При этом ВБР в первом волокне используется для измерения температуры и окружена тонким слоем пленки титана, а длиннопериодная волоконная решетка (ДПВР) используется в качестве выводящего элемента для вывода излучения из сердцевины оптического волокна в оболочку, ВБР во втором волокне используется для фиксации температуры на фиксированном расстоянии от первого волокна с ВБР и ДПВР. Способ, по которому определяется тепловая характеристика (теплопроводность) в данной работе заключается в следующем. Излучение от широкополосного источника распространяется по первому волокну через передающее устройство, доходя сначала до ДПВР, на котором часть излучения выводится, что приводит к нагреву области с ВБР, окруженной тонким слоем пленки титана, а также к нагреву исследуемого образца вокруг ДПВР. Далее, отражаясь от ВБР, излучение через передающее устройство направляется на опрашивающее устройство, где фиксируется сдвиг длины волны брэгговского резонанса в результате нагрева излучением от ДПВР. Далее тепло от ДПВР доходит до области второго волокна с ВБР, подключенного к опрашивающему устройству, которое также регистрирует нагрев ВБР через фиксацию сдвига длины волны брэгговского резонанса. Таким образом, способ определения теплопроводности заключался в том, что по измеренным значениям температуры обеих решеток путём расчета определялась теплопроводность веществ. Один из недостатков конструкции заключается в том, что второе волокно должно располагаться всегда на одинаковом расстоянии от первого, таким образом, чтобы исследуемый образец был как вокруг чувствительного элемента в первом волокне, так и между областями ВБР в первом и втором волокнах. Также недостатками конструкции, накладывающим ограничения на реализацию описанного способа, является использование в работе одного волокна для выведения излучения и измерений с помощью ВБР, что приводит к следующим ограничениям. Первое – это уменьшение используемых для выведения мощностей, что может ограничивать применение таких устройств для веществ с высокой удельной теплоемкостью, либо потребует нанесения дополнительной изоляции, которая увеличит время отклика на изменяющиеся внешние условия (в работе приведены данные только для воздуха). Второй недостаток заключается в самой схеме работы при использовании одного волокна, так как подключение лазера накачки осуществляется не напрямую к оптически выводящему элементу, а через передающие устройства, которые также вносят потери в сигнал накачки. Также недостатком конструкции является необходимость обеспечения прямого контакта области ДПВР с исследуемым образцом, что ограничивает применение способа в условиях реальной эксплуатации. Ещё один значимый недостаток заключается в том, что в случае изменения температуры окружающей среды или приложенного давления, резонансная длина волны используемой для вывода излучения ДПВР будет сдвигаться, таким образом, выводимая мощность будет изменяться в зависимости от неравномерности спектра широкополосного источника излучения.There is a known method for determining thermal conductivity by using a device with special types of fiber diffraction structures [All-fiber sensor based on a metallic coated hybrid LPG-FBG structure for thermal characterization of materials Silva, G. E.; Caldas, P.; Santos, J. C.; Santos, J. L., 2014]. The device includes two optical fibers, one of which contains two fiber gratings: one long-period, the other a Bragg grating, located at a distance of 5 mm from each other, and the second fiber contains only one FBG. In this case, the FBG in the first fiber is used to measure temperature and is surrounded by a thin layer of titanium film, and a long-period fiber grating (LPGR) is used as an output element to output radiation from the core of the optical fiber into the cladding, the FBG in the second fiber is used to fix the temperature at a fixed distance from the first fiber with FBG and DPVR. The method by which the thermal characteristic (thermal conductivity) is determined in this work is as follows. Radiation from a broadband source propagates along the first fiber through the transmitting device, reaching first the LPG, where part of the radiation is output, which leads to heating of the region with the FBG, surrounded by a thin layer of titanium film, as well as heating of the sample under study around the LPG. Next, reflected from the FBG, the radiation is directed through the transmitting device to the interrogating device, where the shift in the wavelength of the Bragg resonance as a result of heating by radiation from the FBG is recorded. Next, the heat from the DPVR reaches the region of the second fiber with the FBG, connected to an interrogating device, which also registers the heating of the FBG by recording the shift in the wavelength of the Bragg resonance. Thus, the method for determining thermal conductivity was that the thermal conductivity of substances was determined by calculation using the measured temperature values of both lattices. One of the disadvantages of the design is that the second fiber must always be located at the same distance from the first, so that the test sample is both around the sensing element in the first fiber and between the FBG regions in the first and second fibers. Also, a design disadvantage that imposes restrictions on the implementation of the described method is the use of a single fiber for radiation extraction and measurements using FBGs, which leads to the following limitations. The first is a reduction in the power used for extraction, which may limit the use of such devices for substances with high specific heat capacity, or will require the application of additional insulation, which will increase the response time to changing external conditions (the work provides data only for air). The second drawback lies in the operating scheme itself when using a single fiber, since the pump laser is connected not directly to the optical output element, but through transmitting devices, which also introduce losses into the pump signal. Another disadvantage of the design is the need to ensure direct contact of the LPG region with the test sample, which limits the use of the method in real operating conditions. Another significant drawback is that if the ambient temperature or applied pressure changes, the resonant wavelength of the LPVR used to output the radiation will shift, thus the output power will change depending on the unevenness of the spectrum of the broadband radiation source.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемым решениям является способ определения теплопроводности и, реализующее его, устройство со специальными видами волоконных дифракционных структур (Measurement Thermal Conductivity of Water using a All-Fiber Sensor Based on a Metallic Coated Hybrid LPG-FBG Structure, G. E.Silva, P. Caldas, J. L. Santos, and J. C. Santos, 2018). Устройство включает два оптических волокна, одно из которых содержит две волоконные решетки: одну длиннопериодную (ДПВР), другую – волоконную брэгговскую решетку, а второе волокно – ВБР. При этом ВБР в первом волокне используется для измерения температуры и окружена тонким слоем пленки титана, а длиннопериодная волоконная решетка используется в качестве выводящего элемента для вывода излучения из сердцевины оптического волокна в оболочку, при этом конец ДПВР находится на расстоянии 10 мм от начала пленки титана. ВБР во втором волокне используется для фиксации температуры на фиксированном расстоянии от первого волокна с ВБР и ДПВР. Способ определения тепловой характеристики (теплопроводности) заключался в следующем. Излучение от лазера накачки с длиной волны 1480 нм распространяется по первому волокну через передающее устройство, доходя сначала до ДПВР, на котором часть излучения выводится, что приводит к нагреву области с ВБР, окруженной тонким слоем пленки титана, а также к нагреву исследуемого образца вокруг ДПВР. Далее, отражаясь от ВБР, излучение через передающее устройство направляется на опрашивающее устройство, где фиксируется сдвиг длины волны брэгговского резонанса в результате нагрева излучением от ДПВР. Далее тепло от ДПВР доходит до области второго волокна с ВБР, подключенного к опрашивающему устройству, которое регистрирует нагрев ВБР через фиксацию сдвига длины волны брэгговского резонанса. При этом измерения, полученные в данной работе, свидетельствовали о слабом нагреве ВБР во втором волокне, в связи с чем, способ, описанный в работе, заключался в измерении длины волны брэгговского резонанса, полученной с первого волокна с ВБР, в разные моменты времени и последующий пересчёт полученных значений в температуру с дальнейшими расчётами теплопроводности.The closest technical solution (prototype) to the proposed solutions is a method for determining thermal conductivity and, implementing it, a device with special types of fiber diffraction structures (Measurement Thermal Conductivity of Water using an All-Fiber Sensor Based on a Metallic Coated Hybrid LPG-FBG Structure, G.E. Silva, P. Caldas, J. L. Santos, and J. C. Santos, 2018). The device includes two optical fibers, one of which contains two fiber gratings: one long-period grating (LPG), the other a fiber Bragg grating, and the second fiber an FBG. In this case, the FBG in the first fiber is used to measure temperature and is surrounded by a thin layer of titanium film, and a long-period fiber grating is used as an output element to output radiation from the core of the optical fiber into the cladding, while the end of the FBG is located at a distance of 10 mm from the beginning of the titanium film. The FBG in the second fiber is used to fix the temperature at a fixed distance from the first fiber with FBG and DPVR. The method for determining the thermal characteristics (thermal conductivity) was as follows. Radiation from the pump laser with a wavelength of 1480 nm propagates along the first fiber through the transmitting device, first reaching the DPVR, where part of the radiation is output, which leads to heating of the region with the FBG, surrounded by a thin layer of titanium film, as well as to heating of the test sample around the DPVR . Next, reflected from the FBG, the radiation is directed through the transmitting device to the interrogating device, where the shift in the wavelength of the Bragg resonance as a result of heating by radiation from the FBG is recorded. Next, the heat from the DPVR reaches the region of the second fiber with the FBG, connected to an interrogating device, which registers the heating of the FBG by recording the shift in the wavelength of the Bragg resonance. At the same time, the measurements obtained in this work indicated weak heating of the FBG in the second fiber, and therefore, the method described in the work consisted of measuring the Bragg resonance wavelength obtained from the first fiber with the FBG at different times and subsequent recalculation of the obtained values into temperature with further calculations of thermal conductivity.
Недостатком данной конструкции является использование в работе одного волокна как для выведения излучения, так и для измерений с помощью ВБР, что приводит к следующим ограничениям: во-первых, уменьшение используемых для выведения мощностей (что и связано с тем, что в описанной работе слабо прогревается ВБР во втором волокне), во-вторых, в схеме работы при использовании одного волокна для выведения излучения и для нагрева приводит к тому, что подключение лазера накачки осуществляется не напрямую к оптически выводящему элементу, а через передающие устройства, которые также вносят потери в сигнал накачки. Также недостатком конструкции является необходимость обеспечения прямого контакта области ДПВР с исследуемым образцом, что ограничивает применение способа в условиях реальной эксплуатации. Заключительным основным недостатком данного устройства является использование ДПВР в качестве выводящего элемента, т.к. её центральная длина волны зависит от температуры и давления окружающей среды, что при реализации данного способа требует постоянной перестройки длины волны лазера генерации накачки и стабильности его спектра по частоте, т.к. выводимая мощность будет меняться и расчёты теплопроводности также будут изменяться.The disadvantage of this design is the use of a single fiber in operation both for radiation extraction and for measurements using FBGs, which leads to the following limitations: firstly, a reduction in the powers used for extraction (which is due to the fact that in the described work it is poorly heated FBG in the second fiber), secondly, in the operating scheme when using one fiber for radiation extraction and heating, it leads to the fact that the pump laser is connected not directly to the optical output element, but through transmitting devices, which also introduce losses into the signal pumping. Another disadvantage of the design is the need to ensure direct contact of the LPG region with the test sample, which limits the use of the method in real operating conditions. The final main disadvantage of this device is the use of DPVR as an output element, because its central wavelength depends on the temperature and pressure of the environment, which when implementing this method requires constant tuning of the pump laser wavelength and stability of its spectrum in frequency, because The output power will change and the thermal conductivity calculations will also change.
Данные изобретения решают задачу усовершенствования конструкции устройства измерения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов) за счет увеличения используемых мощностей для более эффективного нагрева чувствительного элемента, а также упрощение способа за счёт исключения необходимости перестройки лазера накачки и/или широкополосного источника излучения под резонансную длину волны выводящего элемента, что обеспечивает надежность и стабильность работы при изменяющихся внешних условиях.These inventions solve the problem of improving the design of a device for measuring the thermal characteristics of substances (liquids and gases) by increasing the power used for more efficient heating of the sensitive element, as well as simplifying the method by eliminating the need to adjust the pump laser and/or broadband radiation source to the resonant wavelength of the output element, which ensures reliability and stability of operation under changing external conditions.
Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.
Чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов) включает одномодовое оптическое волокно с ВБР, подключенное через передающее устройство к опрашивающему устройству и широкополосному источнику излучения, а также дополнительно содержит многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер. Волокна расположены напротив друг друга, при этом область волоконного выводящего элемента тейпера совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна, а многомодовое оптическое волокно подключено к лазеру накачки и оба волокна жестко зафиксированы в полой трубке.The sensitive element for determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases) includes a single-mode optical fiber with an FBG connected through a transmitting device to an interrogating device and a broadband radiation source, and also additionally contains a multimode optical fiber with a formed fiber output element, which is a fiber-optic taper. The fibers are located opposite each other, while the area of the fiber output element of the taper is combined with the FBG area of the single-mode optical fiber, and the multimode optical fiber is connected to the pump laser and both fibers are rigidly fixed in the hollow tube.
Кроме того, чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ может содержать, по меньшей мере, второе многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом (тейпером), соединенное с первым многомодовым волокном, при этом выводящие элементы многомодовых волокон совмещены друг с другом и с областью ВБР одномодового оптического волокна, далее волокна жестко фиксируются в полой трубке.In addition, the sensitive element for determining the thermal characteristics of substances may contain at least a second multimode optical fiber with a formed fiber output element (taper) connected to the first multimode fiber, while the output elements of the multimode fibers are aligned with each other and with the FBG region single-mode optical fiber, then the fibers are rigidly fixed in a hollow tube.
Способ определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), включает размещение в емкости, наполненной исследуемым веществом, волоконного чувствительного элемента (ЧЭ), включающего одномодовое оптическое волокно с ВБР и дополнительно содержащего многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер. Нагрев ЧЭ и исследуемого вещества путем введения излучения лазера накачки в его многомодовое волокно и выведение его на сформированном волоконном выводящем элементе (тейпере), введение в волокно ЧЭ, со сформированной в нем ВБР излучения от широкополосного источника, регистрацию отраженного ВБР излучения и с помощью опрашивающего устройства фиксирование, возникающего в результате сдвига длины волны брэгговского резонанса, по которому по предварительно построенной зависимости определяют удельную теплоемкость исследуемого вещества.A method for determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases) involves placing in a container filled with the test substance a fiber sensitive element (SE), including a single-mode optical fiber with an FBG and additionally containing a multimode optical fiber with a formed fiber output element, which is a fiber-optic taper. Heating of the SE and the test substance by introducing pump laser radiation into its multimode fiber and removing it on a formed fiber output element (taper), introducing into the SE fiber with FBG radiation formed in it from a broadband source, recording the reflected FBG radiation using an interrogating device recording that occurs as a result of a shift in the wavelength of the Bragg resonance, from which the specific heat capacity of the substance under study is determined from a previously constructed dependence.
Сущность заявляемых решений поясняется следующим.The essence of the proposed solutions is explained as follows.
Метод горячей проволоки для измерения тепловых характеристик заключается в использовании тонкой металлической нити, погруженной в исследуемый образец. В течение заранее установленного промежутка времени по металлической проволоке протекает электрический ток, что приводит как к нагреву самой проволоки, так и к нагреву исследуемого вещества вокруг неё. Тепло, генерируемое нагревателем, передается образцу в результате теплообмена, при этом температура в любой точке образца зависит от тепловых характеристик исследуемого вещества. Принимая, что нагреватель имеет бесконечную длину, температурный профиль зависит от расстояния до источника r (для малых значений r) и времени t, прошедшего после нагрева, при этом коэффициент теплопроводности выражается следующей формулой:The hot wire method for measuring thermal characteristics involves using a thin metal filament immersed in the sample being tested. For a predetermined period of time, an electric current flows through the metal wire, which leads to both heating of the wire itself and heating of the test substance around it. The heat generated by the heater is transferred to the sample as a result of heat exchange, and the temperature at any point in the sample depends on the thermal characteristics of the substance under study. Assuming that the heater has an infinite length, the temperature profile depends on the distance to the source r (for small values of r ) and the time t elapsed after heating, with the thermal conductivity coefficient expressed by the following formula:
где – скорость тепловыделения на единицу длины, и температура в одной и той же точке на расстоянии r в моменты времени и соответственно.Where – rate of heat release per unit length, And temperature at the same point at a distance r at moments of time And respectively.
Также к одним из стационарных методов измерения тепловых характеристик вещества относится импульсный метод: принцип его действия заключается в воздействии электрического/оптического импульса определенной энергии и скоростном прогреве образца. К тепловым характеристикам относятся температуропроводность, теплопроводность и удельная теплоемкость, которые связаны между собой следующим уравнением:Also one of the stationary methods for measuring the thermal characteristics of a substance is the pulse method: its principle of operation is the impact of an electrical/optical pulse of a certain energy and rapid heating of the sample. Thermal characteristics include thermal diffusivity, thermal conductivity and specific heat capacity, which are related to each other by the following equation:
где – коэффициент температуропроводности, – плотность материала, – удельная теплоемкость.Where – thermal diffusivity coefficient, – density of the material, – specific heat capacity.
В заявляемом решении был применен тот же принцип работы горячей проволоки и импульсного метода, в которых функцию металлической нити выполняет оптическое волокно. В качестве измерителя в заявляемом способе использовалась стандартная ВБР, принцип работы которой заключается в формировании участка оптического волокна с измененным показателем преломления, вызывающем в спектре пропускания узкую область отражения на длине волны брэгговского резонанса в соответствии с условием Брэгга:In the proposed solution, the same principle of operation of the hot wire and pulse method was applied, in which the function of a metal thread is performed by an optical fiber. The standard FBG was used as a meter in the proposed method, the operating principle of which is to form a section of an optical fiber with a changed refractive index, causing a narrow reflection region in the transmission spectrum at the Bragg resonance wavelength in accordance with the Bragg condition:
где – длина волны брэгговского резонанса, – эффективный ПП сердцевины волокна для центральной длины волны, – период брэгговской решётки.Where – wavelength of the Bragg resonance, – effective PP of the fiber core for the central wavelength, – period of the Bragg grating.
Предлагаемый волоконный чувствительный элемент (ЧЭ) для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), а именно, удельной теплоемкости, состоит из двух оптических волокон, зафиксированных в полой трубке. В качестве выводящего элемента используется многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер (волокно с областью перетяжки). Оптоволоконный тейпер представляет собой область оптического волокна, состоящую из трёх участков: в первом участке волокна - постепенное сужение его диаметра (конусная структура), далее - участок волокна с равномерно уменьшенным значением его диаметра, а третий участок волокна – с плавным увеличением диаметра до достижения стандартного размера волокна. Изменение геометрии волокна в области сужающейся части приводит к выводу излучения из сердцевины оптического волокна во внешнюю среду, при этом в работе используется многомодовое волокно, преимуществом которого является возможность работы с высокомощным излучением. Второе волокно чувствительного элемента используется в качестве измерителя и представляет собой одномодовое оптическое волокно со сформированной ВБР. Область выводящего элемента (тейпера) совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна, и оба волокна располагаются напротив друг друга и жестко фиксируются в полой трубке. Таким образом, фиксация всего ЧЭ в полой трубке позволяет использовать ЧЭ как механически более защищенное устройство в дополнительном корпусе (а именно полой трубке) без необходимости прямого контакта волокна с областью ДПВР с исследуемым образцом как указано в прототипе, а также обеспечивает более равномерный прогрев ВБР, что связано с тем, что, в отличие от прототипа, выводящий элемент и область ВБР расположены друг напротив друга.The proposed fiber sensitive element (SE) for determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases), namely, specific heat capacity, consists of two optical fibers fixed in a hollow tube. The output element is a multimode optical fiber with a formed fiber output element, which is a fiber-optic taper (fiber with a waist area). An optical fiber taper is an area of an optical fiber consisting of three sections: in the first section of the fiber there is a gradual narrowing of its diameter (conical structure), then there is a section of the fiber with a uniformly reduced value of its diameter, and the third section of the fiber is with a smooth increase in diameter until the standard value is reached fiber size. Changing the geometry of the fiber in the area of the tapering part leads to the output of radiation from the core of the optical fiber into the external environment, while the work uses multimode fiber, the advantage of which is the ability to work with high-power radiation. The second fiber of the sensing element is used as a meter and is a single-mode optical fiber with a formed FBG. The area of the output element (taper) is combined with the FBG area of the single-mode optical fiber, and both fibers are located opposite each other and are rigidly fixed in the hollow tube. Thus, fixing the entire SE in a hollow tube allows the SE to be used as a mechanically more protected device in an additional housing (namely a hollow tube) without the need for direct contact of the fiber with the LPG region with the test sample as indicated in the prototype, and also provides more uniform heating of the FBG, which is due to the fact that, unlike the prototype, the output element and the FBG area are located opposite each other.
Первое волокно ЧЭ напрямую (без передающих устройств) подключено к лазеру накачки, что позволяет исключить потери мощности на передающем устройстве. При этом используется многомодовое волокно, в котором используемые мощности могут быть в разы выше, чем мощности одномодового волокна (как в прототипе). Использование тейпера в качестве выводящего элемента исключает необходимость перестройки лазера накачки в зависимости от внешних условий ввиду того, что структура тейпера подразумевает изменение геометрии волокна, а не запись дифракционных структур (как в прототипе).The first SE fiber is directly connected (without transmitting devices) to the pump laser, which eliminates power losses on the transmitting device. In this case, multimode fiber is used, in which the power used can be several times higher than the power of single-mode fiber (as in the prototype). The use of a taper as an output element eliminates the need to adjust the pump laser depending on external conditions due to the fact that the structure of the taper implies a change in the geometry of the fiber, and not the recording of diffraction structures (as in the prototype).
Волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ может содержать, по меньшей мере, второе многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер. Волокна с выводящими элементами (тейперами) необходимо соединить друг с другом, в таком случае увеличивается суммарная мощность выводимого оптического излучения, т.к. при использовании одного волокна часть излучения выходит из волокна (о чем можно судить, если на выходе поставить измеритель мощности), а такое соединение позволяет часть оставшейся мощности вывести из волновода на втором выводящем элементе (тейпере). Количество таких волокон может быть увеличено до достижения необходимой мощности выводимого излучения.The fiber sensing element for determining the thermal characteristics of substances may contain at least a second multimode optical fiber with a formed fiber output element, which is a fiber-optic taper. Fibers with output elements (tapers) must be connected to each other; in this case, the total power of the output optical radiation increases, because when using one fiber, part of the radiation leaves the fiber (which can be judged if a power meter is placed at the output), and such a connection allows part of the remaining power to be removed from the waveguide on the second output element (taper). The number of such fibers can be increased until the required output power is achieved.
Второе волокно с ВБР через передающее устройство подключено к широкополосному источнику излучения и опрашивающему устройству.The second fiber with FBG is connected through a transmitting device to a broadband radiation source and an interrogating device.
Способ измерения заключается в том, что излучение от лазера накачки доходя до сформированного волоконного выводящего элемента, выводится на этом (этих) элементе(ах), нагревая таким образом сам чувствительный элемент (волокно с выводящим элементом, волокно с ВБР, полую трубку) и исследуемое вещество вокруг него. В зависимости от тепловых характеристик исследуемого образца тепло от полой трубки по-разному рассеивалось в образце, таким образом трубка охлаждалась по-разному, что приводило к смещению длины волны брэгговского резонанса на разное значение. При этом прямым воздействием излучения от выводящего элемента (тейпера) на волокно с ВБР можно пренебречь, так как оно во всех экспериментах было одинаково ввиду статичной конструкции чувствительного элемента. Таким образом, именно от тепловых характеристик исследуемого образца зависел сдвиг длины волны брэгговского резонанса и по анализу такого сдвига определялись тепловые характеристики, а именно, удельная теплоемкость.The measurement method is that radiation from the pump laser, reaching the formed fiber output element, is output on this element(s), thus heating the sensitive element itself (fiber with output element, fiber with FBG, hollow tube) and the test element substance around it. Depending on the thermal characteristics of the sample under study, the heat from the hollow tube was dissipated differently in the sample, thus the tube was cooled differently, which led to a shift in the Bragg resonance wavelength by a different value. In this case, the direct effect of radiation from the output element (taper) on the fiber with an FBG can be neglected, since it was the same in all experiments due to the static design of the sensitive element. Thus, the shift in the wavelength of the Bragg resonance depended on the thermal characteristics of the sample under study, and by analyzing such a shift, the thermal characteristics, namely, the specific heat, were determined.
По предварительно построенной зависимости удельной теплоемкости от сдвига длины волны брэгговского резонанса, который различен для веществ с различной теплоёмкостью, по зафиксированному сдвигу длины волны брэгговского резонанса определяют удельную теплоемкость исследуемого вещества.Based on the previously constructed dependence of the specific heat capacity on the shift in the Bragg resonance wavelength, which is different for substances with different heat capacities, the specific heat capacity of the substance under study is determined based on the recorded shift in the Bragg resonance wavelength.
Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг. 1 (а), фиг. 1 (б), фиг. 2 (а), фиг. 2 (б), фиг. 3, фиг. 4.The essence of the claimed invention is illustrated in Fig. 1 (a), fig. 1 (b), fig. 2(a), fig. 2 (b), fig. 3, fig. 4.
На фиг. 1 (а) представлена схема волоконного чувствительного элемента для определения тепловых характеристик веществ.In fig. Figure 1 (a) shows a diagram of a fiber sensing element for determining the thermal characteristics of substances.
Волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), включает широкополосный источник излучения 1, соединенный с одномодовым оптическим волокном 2 с ВБР 3, соединенным через передающее устройство 4 с опрашивающим устройством 5. Второе оптическое волокно (многомодовое) 6 со сформированным волоконным выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7, подключено напрямую к лазеру накачки 8. Волокна расположены напротив друг друга, при этом область волоконного выводящего элемента (оптоволоконного тейпера) 7 совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна 2 и оба волокна 2 и 6 жестко зафиксированы в полой трубке 9 с помощью фиксирующего соединения 10.The fiber sensing element for determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases) includes a broadband radiation source 1 connected to a single-mode optical fiber 2 with an FBG 3 connected through a transmitting device 4 to an interrogating device 5. A second optical fiber (multi-mode) 6 with a formed fiber output element (fiber optic taper) 7, connected directly to the pump laser 8. The fibers are located opposite each other, while the area of the fiber output element (fiber optic taper) 7 is combined with the FBG area of single-mode optical fiber 2 and both fibers 2 and 6 are rigidly fixed in the hollow tube 9 using fixing connection 10.
На фиг 1 (б) представлена возможная вариация реализации схемы 1 (а) с использованием второго многомодового волокна 11 с выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7. При такой схеме работы концы многомодовых оптических волокон 6 и 11 должны быть соединены друг с другом.Figure 1 (b) shows a possible variation of the implementation of scheme 1 (a) using a second multimode fiber 11 with an output element (fiber taper) 7. With this operating scheme, the ends of the multimode optical fibers 6 and 11 must be connected to each other.
На фиг. 2 (а) представлена схема чувствительного элемента, состоящего из одномодового оптического волокна 2 с ВБР 3 и многомодового оптического волокна 6 с выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7. Область волокна 2 с ВБР 3 была совмещена с областью волокна 6 с выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7 и жестко зафиксирована в полой трубке 9 с помощью фиксирующего соединения 10. Использование многомодового оптического волокна позволяет работать с более высокими мощностями проходящего излучения (по сравнению с одномодовым), что дает возможность увеличивать нагрев чувствительного элемента.In fig. Figure 2 (a) shows a diagram of a sensitive element consisting of a single-mode optical fiber 2 with an FBG 3 and a multimode optical fiber 6 with an output element (fiber-optic taper) 7. The area of fiber 2 with an FBG 3 was combined with the area of fiber 6 with an output element (fiber-optic taper ) 7 and is rigidly fixed in the hollow tube 9 using a fixing connection 10. The use of multimode optical fiber allows you to work with higher powers of transmitted radiation (compared to single-mode), which makes it possible to increase the heating of the sensitive element.
На фиг 2 (б) представлена возможная вариация чувствительного элемента 2 (а) с использованием второго многомодового волокна 11.Figure 2 (b) shows a possible variation of the sensing element 2 (a) using a second multimode fiber 11.
На фиг. 3 представлены измерения сдвига длины волны брэгговского резонанса для образцов с различными тепловыми характеристиками (удельной теплоемкостью). Для каждого образца было подано 4 импульса с частотой 0,2 Гц, длительностью импульса 1 с, результаты измерений представлены на фиг 3 для каждого образца.In fig. Figure 3 shows measurements of the Bragg resonance wavelength shift for samples with different thermal characteristics (specific heat capacity). For each sample, 4 pulses were applied with a frequency of 0.2 Hz, a pulse duration of 1 s, the measurement results are presented in Fig. 3 for each sample.
На фиг. 4 представлена зависимость сдвига длины волны брэгговского резонанса от удельной теплоемкости веществ (жидкостей и газов). Экспериментальные данные были получены как среднее значение по 4 импульсам, представленным на фиг. 3. Для оптимального представления данных была построена аппроксимирующая кривая.In fig. Figure 4 shows the dependence of the shift in the wavelength of the Bragg resonance on the specific heat capacity of substances (liquids and gases). The experimental data were obtained as the average of 4 pulses presented in Fig. 3. For optimal data presentation, a fitting curve was constructed.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Излучение от широкополосного источника 1 распространяется по одномодовому оптическому волокну 2, проходя через передающее устройство 4, достигает ВБР 3. Отражаясь от сформированной дифракционной структуры (ВБР) 3, излучение распространяется в обратном направлении и через передающее устройство 4 направляется на опрашивающее устройство 5. Второе волокно (многомодовое) 6 с выводящим элементом (тейпером) 7, используемое для выведения оптического излучения из сердцевины волокна, подключено напрямую к лазеру накачки 8, с другой стороны волокно может быть подключено к измерителю мощности (для дополнительного контроля выводимой мощности), но такое подключение не является обязательным. Весь чувствительный элемент помещен в трубку 9 и жестко зафиксирован в ней с помощью фиксирующего соединения 10. При добавлении второго многомодового волокна 11 излучение лазера накачки 8, которое не вывелось на первом выводящем элементе, распространяется дальше по волокну, доходя до выводящего элемента 7 (тейпера) во втором многомодовом волокне.The inventive method is carried out as follows. Radiation from the broadband source 1 propagates along single-mode optical fiber 2 , passing through the transmitting device 4 , reaching the FBG 3 . Reflecting from the formed diffraction structure (FBG) 3 , the radiation propagates in the opposite direction and is directed through the transmitting device 4 to the interrogating device 5 . The second fiber (multimode) 6 with an output element (taper) 7 , used to remove optical radiation from the fiber core, is connected directly to the pump laser 8 ; on the other hand, the fiber can be connected to a power meter (for additional control of the output power), but this connection is optional. The entire sensitive element is placed in tube 9 and rigidly fixed in it using a fixing connection 10. When a second multimode fiber 11 is added, the radiation of the pump laser 8, which was not output at the first output element, propagates further along the fiber, reaching the output element 7 (taper) in the second multimode fiber.
В качестве конкретного примера осуществления предлагаемых решений предлагается следующее.As a specific example of the implementation of the proposed solutions, the following is proposed.
Для формирования нагревательного элемента многомодовое оптическое волокно ClearCurve 50/125 укладывалось в сварочный аппарат Fujikura FSM-100P, в котором создавался выводящий элемент (тейпер) c диаметром в самой узкой части порядка 15 мкм. Волокно подключалось к иттербиевому лазеру накачки с длиной волны излучения 1080 нм и выходным волокном Corning HI 1060, часть излучения от лазера выводилась в области выводящего элемента (тейпера), а оставшаяся часть проходила далее на оптический измеритель мощности Thorlabs S322C. В режиме непрерывного излучения по такому принципу на выводящем элементе (тейпере) выводилось излучение около 0,5 Вт. Измерение проходящей мощности с помощью измерителя является дополнительной процедурой для определения мощности выводимой на выводящем элементе (тейпере), при этом данная процедура не является обязательной. В данной работе использовался импульсный нагрев, длительность импульса составляла 1 с, генерация проходила с частотой 0,2 Гц.To form the heating element, ClearCurve 50/125 multimode optical fiber was placed in a Fujikura FSM-100P splicing machine, in which an output element (taper) with a diameter at the narrowest part of about 15 microns was created. The fiber was connected to a ytterbium pump laser with a radiation wavelength of 1080 nm and a Corning HI 1060 output fiber, part of the radiation from the laser was output in the area of the output element (taper), and the rest was passed further to a Thorlabs S322C optical power meter. In the continuous radiation mode, according to this principle, radiation of about 0.5 W was output from the output element (taper). Measuring the transmitted power using a meter is an additional procedure for determining the power output at the output element (taper), and this procedure is not mandatory. In this work, pulsed heating was used, the pulse duration was 1 s, and generation occurred at a frequency of 0.2 Hz.
Для записи волоконной брэгговской решетки в качестве источника излучения использовалась KrF эксимерная лазерная система MOPA CL-7550 (ООО «Оптосистемы») типа задающий генератор – усилитель (длина волны лазерного излучения – 248 нм), а сама запись осуществлялась с использование интерферометра Тальбота. Оптическое волокно с ВБР через передающее устройство (в данной работе, y-ответвитель) подключалось к опрашивающему устройству (в данной работе, интеррогатор) Ibsen Photonics и широкополосному эрбиевому суперлюминисцентному источнику излучения IRE-Polus. Излучение от широкополосного источника направлялось через передающее устройство (y-ответвитель) к ВБР, часть излучения проходила дальше, а часть, отражаясь, направлялась на опрашивающее устройство (интеррогатор), в котором фиксировалась центральная длина волны Брэгга.To record a fiber Bragg grating, a KrF excimer laser system MOPA CL-7550 (Optosystems LLC) of the master oscillator-amplifier type (laser radiation wavelength - 248 nm) was used as a radiation source, and the recording itself was carried out using a Talbot interferometer. An optical fiber with an FBG was connected through a transmitting device (in this work, a y-coupler) to an interrogating device (in this work, an interrogator) Ibsen Photonics and a broadband erbium superluminescent radiation source IRE-Polus. Radiation from a broadband source was directed through a transmitting device (y-coupler) to the FBG, part of the radiation passed further, and part, being reflected, was sent to an interrogating device (interrogator), in which the central Bragg wavelength was recorded.
После формирования описанных выше структур область выводящего элемента (тейпера) совмещается с областью с ВБР, которые располагаются друг напротив друга и далее оба волокна жестко фиксируются с помощью фиксирующего соединения, (в данной работе использовался клей), в полой (в данной работе стальной) трубке, внешний диаметр которой составляет 800 мкм (стальная трубка может быть заменена на полую трубку из другого материала, наиболее подходящего для решения конкретных задач). Оптоволоконный тейпер в наиболее узкой части имел диаметр порядка 15±5 мм, общая длина 7±4 мм, длина наиболее узкой области 2±1 мм. Также чувствительный элемент может дополняться вторым многомодовым оптическим волокном с выводящим элементом (тейпером), также размещаемым в стальной трубке. Волокна с выводящими элементами (тейперами) соединены друг с другом, например, с помощью сварки. Количество таких волокон может быть увеличено до достижения необходимой мощности выводимого излучения.After the formation of the structures described above, the area of the output element (taper) is combined with the area with FBGs, which are located opposite each other, and then both fibers are rigidly fixed using a fixing connection (glue was used in this work) in a hollow (steel in this work) tube , the outer diameter of which is 800 microns (the steel tube can be replaced with a hollow tube made of another material, most suitable for solving specific problems). The fiber optic taper in its narrowest part had a diameter of about 15±5 mm, a total length of 7±4 mm, and a length of the narrowest region of 2±1 mm. Also, the sensitive element can be supplemented with a second multimode optical fiber with an output element (taper), also placed in a steel tube. Fibers with output elements (tapers) are connected to each other, for example, by welding. The number of such fibers can be increased until the required output power is achieved.
Для анализа использовались различные жидкости, удельная теплоемкость которых была предварительно измерена с помощью аналитического комплекса на базе дифференциальной сканирующей калориметрии теплового потока DSC 204 F1 Phoenix. NETZSCH-Geratebau GmbH. С использованием указанного оборудования были построены зависимости удельной теплоемкости анализируемых веществ от температуры с целью определения более точного значения удельной теплоемкости при проведении экспериментов с различными веществами.For the analysis, various liquids were used, the specific heat of which was previously measured using an analytical complex based on differential scanning calorimetry of heat flow DSC 204 F1 Phoenix. NETZSCH-Geratebau GmbH. Using the specified equipment, the dependences of the specific heat capacity of the analyzed substances on temperature were plotted in order to determine a more accurate value of the specific heat capacity when conducting experiments with various substances.
Ниже представлен способ, по которому проводились эксперименты с определением удельной теплоемкости различных веществ (жидкостей и воздуха) с помощью предложенного в работе чувствительного элемента. В чаше Петри с диаметром 9 см и высотой 1,5 см, наполненной исследуемым веществом, закреплялся разработанный чувствительный элемент таким образом, чтобы его грани не касались граней чаши, при этом чувствительный элемент был полностью погружен в образец. Предварительно перед проведением экспериментов измерялась температура веществ для более точного получения значения удельной теплоемкости. По описанной выше схеме волокно с ВБР подключалось в качестве измерительного элемента к опрашивающему устройству (интеррогатору) и широкополосному источнику излучения, а оптическое волокно с выводящим элементом (тейпером) – к лазеру накачки. Далее лазер накачки генерировал импульс длительностью 1 с и излучение, выводимое в области выводящего элемента (тейпера), напрямую нагревало область второго волокна с ВБР, а также стальную трубку. В зависимости от тепловых характеристик исследуемого образца фиксировалось разное значение сдвига (смещения) длины волны брэгговского резонанса. По анализу такого сдвига определялись тепловые характеристики различных веществ (жидкостей и газов), а именно, удельная теплоемкость.Below is a method by which experiments were carried out to determine the specific heat capacity of various substances (liquids and air) using the sensitive element proposed in the work. In a Petri dish with a diameter of 9 cm and a height of 1.5 cm, filled with the test substance, the developed sensitive element was fixed so that its edges did not touch the edges of the bowl, while the sensitive element was completely immersed in the sample. Before carrying out the experiments, the temperature of the substances was measured to more accurately obtain the specific heat capacity. According to the scheme described above, a fiber with an FBG was connected as a measuring element to an interrogating device (interrogator) and a broadband radiation source, and an optical fiber with an output element (taper) was connected to a pump laser. Next, the pump laser generated a pulse with a duration of 1 s and the radiation output in the area of the output element (taper) directly heated the area of the second fiber with the FBG, as well as the steel tube. Depending on the thermal characteristics of the sample under study, different values of the shift (displacement) of the Bragg resonance wavelength were recorded. By analyzing such a shift, the thermal characteristics of various substances (liquids and gases), namely, specific heat capacity, were determined.
Эксперименты по измерению удельной теплоемкости проводились для образцов с шестью разными значениями удельной теплоемкости для диапазона от 1,0 до 4,2 кДж/(кг·ºC). В конкретное вещество с известным значением удельной теплоёмкости помещался чувствительный элемент, далее излучение от лазера накачки выводилось на выводящем элементе, что приводило к нагреву самого чувствительного элемента и исследуемого образца вокруг него. Генерация импульсов лазера накачки была с частотой 0,2 Гц, количество импульсов – 4, длительность импульса – 1 с при этом в качестве сдвига длины волны брэгговского резонанса была взята разница между максимальным значением длины волны брэгговского резонанса в момент подачи импульса и минимальным значением длины волны брэгговского резонанса, до которого охлаждался элемент перед подачей этого импульса. Исходя из полученных данных сдвига длины волны брэгговского резонанса в веществах с различной теплоемкостью, была построена зависимость такого сдвига от измеренных значений теплоемкостей.Specific heat experiments were carried out on samples with six different specific heat values ranging from 1.0 to 4.2 kJ/(kg ºC). A sensitive element was placed in a specific substance with a known specific heat capacity, then radiation from the pump laser was output at the output element, which led to heating of the most sensitive element and the sample being studied around it. The generation of pump laser pulses was with a frequency of 0.2 Hz, the number of pulses was 4, the pulse duration was 1 s; the difference between the maximum value of the Bragg resonance wavelength at the moment the pulse was applied and the minimum value of the wavelength was taken as the shift of the Bragg resonance wavelength Bragg resonance to which the element was cooled before applying this pulse. Based on the obtained data on the shift of the Bragg resonance wavelength in substances with different heat capacities, the dependence of such a shift on the measured values of heat capacities was constructed.
Таким образом, заявленное изобретение является полностью волоконным чувствительным элементом, предназначенным для измерения тепловых характеристик различных веществ (жидкостей и газов). Волоконная конструкция элемента обеспечивает ряд значительных преимуществ: возможность стабильной работы в условиях электромагнитных помех, быстрый отклик на изменяющиеся условия, возможность использования в удаленных труднодоступных местах. Сама импульсная методика позволяет исследовать вещества, в которых постоянный нагрев может привести к непредсказуемым последствиям. Также предложенный способ подразумевает использование дополнительного многомодового волокна со структурой, формирование которой не требует использования дорогостоящего оборудования и/или специализированных волокон, что позволяет использовать данный способ измерения как относительно простой, надежный и стабильный способ определения тепловых характеристик различных жидкостей и газов. Дополнительным преимуществом заявленных решений при использовании многомодового волокна является возможность эксплуатации при высоких температурах, для этого необходимо подбирать специализированные клеевые составы и соответствующие защитные покрытия оптических волокон, а нагрев может осуществляться с использованием чувствительного элемента с несколькими многомодовыми волокнами, соединенными (сваренными) друг с другом.Thus, the claimed invention is an all-fiber sensing element designed to measure the thermal characteristics of various substances (liquids and gases). The fiber design of the element provides a number of significant advantages: the ability to operate stably in conditions of electromagnetic interference, rapid response to changing conditions, and the ability to be used in remote, hard-to-reach places. The pulsed technique itself makes it possible to study substances in which constant heating can lead to unpredictable consequences. Also, the proposed method involves the use of additional multimode fiber with a structure, the formation of which does not require the use of expensive equipment and/or specialized fibers, which allows this measurement method to be used as a relatively simple, reliable and stable method for determining the thermal characteristics of various liquids and gases. An additional advantage of the stated solutions when using multimode fiber is the ability to operate at high temperatures; for this it is necessary to select specialized adhesive compositions and appropriate protective coatings for optical fibers, and heating can be carried out using a sensing element with several multimode fibers connected (welded) to each other.
Кроме того, относительно остальных устройств (например, стационарных калориметров), заявляемое решение обладает всеми преимуществами волоконно-оптических датчиков, такими как: компактность, быстрый отклик, устойчивость к электромагнитным помехам и коррозии, возможность измерения в удаленных и труднодоступных местах, стабильность и долгий срок службы.In addition, relative to other devices (for example, stationary calorimeters), the proposed solution has all the advantages of fiber-optic sensors, such as: compactness, fast response, resistance to electromagnetic interference and corrosion, the ability to measure in remote and hard-to-reach places, stability and long life services.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2804474C1 true RU2804474C1 (en) | 2023-10-02 |
Family
ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5864644A (en) * | 1997-07-21 | 1999-01-26 | Lucent Technologies Inc. | Tapered fiber bundles for coupling light into and out of cladding-pumped fiber devices |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5864644A (en) * | 1997-07-21 | 1999-01-26 | Lucent Technologies Inc. | Tapered fiber bundles for coupling light into and out of cladding-pumped fiber devices |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| статья "A Temperature Fiber Sensor Based on Tapered Fiber Bragg Grating Fabricated by Femtosecond Laser", Wen Zhang, Appl. Sci. 2018, стр. 1-10, найдено в сети Интернет URL: https://www.mdpi.com/2076-3417/8/12/2616. статья "A temperature sensor based on tapered few mode fiber long-period grating induced by CO2 laser and fusion tapering", Xinghu Fu, Optics & Laser Technology Volume 121, January 2020, найдено в сети Интернет URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0030399219309624?via%3Dihub. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5115127A (en) | Optical fiber sensor for measuring physical properties of fluids | |
| US9557344B2 (en) | Sensor for measuring flow speed of a fluid | |
| Zhang et al. | Large temperature sensitivity of fiber-optic extrinsic Fabry–Perot interferometer based on polymer-filled glass capillary | |
| Yan et al. | Fiber-loop ring-down interrogated refractive index sensor based on an SNS fiber structure | |
| Patil et al. | Comprehensive and analytical review on optical fiber refractive index sensor | |
| Li et al. | High sensitivity Mach–Zehnder interferometer sensors based on concatenated ultra-abrupt tapers on thinned fibers | |
| Novais et al. | Determination of thermo-optic coefficient of ethanol-water mixtures with optical fiber tip sensor | |
| Fuentes et al. | Increasing the sensitivity of an optic level sensor with a wavelength and phase sensitive single-mode multimode single-mode fiber structure | |
| Preložnik et al. | All-fiber, thermo-optic liquid level sensor | |
| US5047626A (en) | Optical fiber sensor for measuring physical properties of liquids | |
| Oliveira et al. | Compact dip-style viscometer based on the acousto-optic effect in a long period fiber grating | |
| Grobnic et al. | Bragg grating evanescent field sensor made in biconical tapered fiber with femtosecond IR radiation | |
| RU2804474C1 (en) | Method and fiber sensing element for determining the thermal characteristics of substances (liquids and gases) | |
| Peng et al. | Femtosecond laser direct writing of long period fiber grating sensor with high refractive index sensitivity | |
| Yolalmaz et al. | Discrimination of chemicals via refractive index by EF-FLRD | |
| EP3096117A1 (en) | A temperature sensor | |
| Wu et al. | Formation of fiber tapers by chemical etching for application in chaotic correlation fiber loop ring down sensing | |
| Zhang et al. | Highly discriminative simultaneous measurement of level, refractive index and temperature of liquid by dual-wavelength fiber ring-cavity laser sensor | |
| US20180136055A1 (en) | A temperature sensor | |
| Jiang et al. | Precise measurement of liquid-level by fiber loop ring-down technique incorporating an etched fiber | |
| Alshaikhli et al. | The study of temperature and refractive index sensitivity of polyimide coated etched (3LPGs-FBG) sensor | |
| Hribar et al. | Fiber-optic boiling point sensor for characterization of liquids | |
| Silva et al. | Measurement thermal conductivity of water using a all-fiber sensor based on a metallic coated hybrid LPG-FBG structure | |
| Dash et al. | Enlarge-tapered, micro-air channeled cavity for refractive index sensing in SMF | |
| Zhan et al. | High temperature sensing using higher-order-mode rejected sapphire fiber gratings |