Волоконно-оптический термометр



Волоконно-оптический термометр
Волоконно-оптический термометр

 


Владельцы патента RU 2491523:

Общество с ограниченной ответственностью "Инновационное предприятие "НЦВО-ФОТОНИКА" (ООО ИП "НЦВО-Фотоника") (RU)
Учреждение Российской академии наук Научный центр волоконной оптики РАН (НЦВО РАН) (RU)

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры в зонах с сильными электромагнитными помехами, в зонах повышенной взрыво-пожароопасности и в других условиях, где недопустимо применение стандартных электронных средств контроля температурного состояния. Заявлен волоконно-оптический термометр, состоящий из источника света, микроконтроллера, светораспределительной системы, оптического фильтра, волоконно-оптического переключателя, фотоприемников, волоконно-оптического щупа. Волоконно-оптический переключатель соединен с одной стороны с волоконно-оптическими щупами посредством волоконного световода, с другой - со светораспределительной системой. Источник света соединен со светораспределительной системой посредством волоконного световода. Светораспределительная система выполнена таким образом, что имеется разветвление на опорный и измерительный канала. Измерительный канал выполнен таким образом, что между светораспределительной системой и фотоприемником имеется оптический фильтр, соединенный с ними посредством волоконного световода. Опорный канал выполнен в виде фотоприемника, соединенного со светораспределительной системой напрямую посредством волоконного световода. Фотоприемники соединены с микроконтроллером посредством электрических проводов. Технический результат: повышение точности измерения. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерения температуры в зонах с сильными электромагнитными помехами, в зонах повышенной взрыво-пожароопасности, при измерениях под высоким напряжением и в других условиях, где недопустимо применение стандартных электронных средств контроля температурного состояния, а именно к системам для мониторинга температурного состояния в медицине, на объектах энергоснабжения, инженерных сооружениях.

Известно, что для этих целей применяются зондовые термометры с датчиками на основе термометров сопротивления типа РТ-100 и РТ-1000. Датчик имеет форму короба с одной из плоскостей, чувствительной к температуре. К недостаткам контроля температуры датчиком на основе термометров сопротивления относятся чувствительность к электромагнитным помехам и наличие токоведущих проводников, в результате чего невозможно проводить измерения в области действия высокого напряжения. Также к недостаткам относится наличие электрохимического взаимодействия с биологической тканью, что не позволяет применять их инвазивно.

Известна конструкция волоконно-оптического термометра, включающего волоконно-оптический датчик температуры и регистрирующую систему (RU 47203 U1). Волоконно-оптический датчик содержит оптическое волокно с расположенным на его конце термочувствительным элементом из кремния. Датчик имеет согласующий слой из окиси кремния, через который выполнено соединение термочувствительного элемента с оптическим волокном. Измерение температуры выполняется при контакте термочувствительного элемента с поверхностью объекта. Конструктивным недостатком такого термометра является сложная технология изготовления датчика. Недостатком использования в качестве термочувствительного элемента полупроводника является сильная зависимость точности измерения от внешних воздействий на датчик, небольшой изгиб волоконного световода, соединяющего термочувствительный элемент с регистрирующей системой, сильно влияет на изменение амплитуды принимаемого сигнала. Также недостатком является то, что из-за хрупкости конструкции волоконно-оптического датчика температуры обеспечить тепловой контакт с измеряемым объектом проблематично. Из-за использования многомодовых волоконно-оптических компонентов длина волоконно-оптического датчика ограничена и не превышает 100 метров. Из-за наличия полупроводникового элемента датчик температуры имеет слабую биологическую инертность.

Известна система мониторинга и контроля температуры трансформатора (US 2006/0251147 A1). Волоконно-оптический датчик содержит оптическое волокно с расположенным на его конце термочувствительным элементом из арсенида галлия. Измерение температуры ведется при контакте термочувствительного элемента с поверхностью объекта путем сравнения интенсивности отраженного сигнала от поверхности арсенида галлия, которая контактирует с объектом, и поверхности полупроводника, которая контактирует с волоконным световодом. Волоконный световод одет в тефлоновую трубку, которая затрудняет его изгиб и существенно усложняет процесс монтажа. Недостатком данной системы является рефлектометрический способ измерения температуры. Отраженные сигналы от двух поверхностей полупроводника поступают в регистрирующую систему практически одновременно, в результате этого проблематично обеспечить высокую точность измерения температуры, также необходимо использовать очень быстрые регистрирующие компоненты, что сильно повышает стоимость системы в целом. Из-за использования многомодовых волоконно-оптических компонентов длина волоконно-оптического датчика ограничена и не превышает 100 метров.

С помощью заявленного изобретения решается техническая задача повышения точности измерения, упрощения конструкции датчика, механического упрочнения при возможности изготовления датчика с длиной линии связи до 30 километров.

Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптический термометр (далее - ВОТ) состоит из источника света, микроконтроллера, светораспределительной системы, оптического фильтра, волоконно-оптического переключателя, по меньшей мере, двух фотоприемников, по меньшей мере, одного волоконно-оптического щупа, при этом волоконно-оптический переключатель соединен с одной стороны с волоконно-оптическими щупами посредством волоконного световода, с другой - со светораспределительной системой, источник света соединен со светораспределительной системой посредством волоконного световода, светораспределительная система выполнена таким образом, что имеется разветвление на опорный и измерительный канал, при этом измерительный канал выполнен таким образом, что между светораспределительной системой и фотоприемником имеется оптический фильтр, соединенный с ними посредством волоконного световода, опорный канал выполнен в виде фотоприемника, соединенного со светораспределительной системой напрямую посредством волоконного световода, фотоприемники соединены с микроконтроллером посредством электрических проводов.

В частности, светораспределительная система может быть выполнена в виде, по меньшей мере, одного волоконно-оптического циркулятора, фильтра, выполненного в виде волоконной решетки Брэгга или длиннопериодной решетки, и, по меньшей мере, одного волоконно-оптического переключателя, соединенных посредством волоконного световода.

В частности, светораспределительная система может быть выполнена в виде, по меньшей мере, одного волоконно-оптического разветвителя, фильтра и, по меньшей мере, одного волоконно-оптического переключателя, соединенных посредством волоконного световода.

В частности, волоконо-оптические компоненты могут быть одномодовыми.

В частности, волоконно-оптический щуп может быть выполнен в виде волоконно-оптической решетки Брэгга, записанной на стандартном волоконном световоде типа SMF-28 или высокогерманатном световоде.

В частности, волоконно-оптический щуп может быть выполнен в виде волоконно-оптической решетки Брэгга, записанной в волоконном световоде с полиимидным покрытием.

Заявленное изобретение поясняется рисунками, где на Фиг.1 приведена схема волоконно-оптического термометра. На Фиг.2 приведена конструкция волоконно-оптического щупа.

ВОТ (Фиг.1) состоит из источника света 1, светораспределительной системы 2, соединенной с одной стороны через волоконно-оптический переключатель 4 с волоконно-оптическими щупами 5, с другой стороны - через оптический фильтр 3 с фотоприемником 7 и напрямую с фотоприемником 6, при этом свет от источника 1 проходит в светораспределительную систему 2, направляется на датчики 5 через оптический переключатель 4, отразившись от датчиков 5 свет возвращается в светораспределительную систему 2, где разделяется на две части, одна из которых направляется на фотоприемник 6 непосредственно, другая направляется на фотоприемник 7 через оптический фильтр 3, где она ослабляется в соответствии с ее спектральным положением относительно характеристики пропускания фильтра, таким образом, соотношение сигналов на двух фотоприемниках зависит от спектрального положения отраженного от датчиков света. Микроконтроллер 8 принимает сигналы с фотоприемников 6 и 7.

Датчики ВОТ могут быть, в частности, реализованы в виде волоконно-оптических щупов.

Волоконно-оптический щуп (Фиг.2) состоит из волоконного световода 9, записанной вблизи его торца волоконной решетки Брэгга 10.

Технический результат, получаемый в предлагаемом ВОТ, достигается тем, что предлагаемый метод измерения является прямым - регистрируемый спектральный сдвиг решетки Брэгга напрямую зависит от температуры, метод является простым в исполнении - процесс записи решетки Брэгга в волоконном световоде технологичен и может быть легко автоматизирован, получающийся датчик обладает высокой надежностью - полностью волоконное исполнение, при котором не нарушается целостность волоконного световода, позволяет сохранить его механическую прочность, при возможности изготовления датчика с подводящей линией длиной до 30 километров, также результат достигается тем, что в реализуемом методе достигается практически полное отсутствие внешних воздействий на точность измерения, благодаря спектральному методу измерения, в отличие от широко распространенных амплитудных методов. Решается техническая задача обеспечения повышения точности измерения за счет того, что соотношение сигналов на двух фотоприемниках зависит от спектрального положения отраженного от датчика света, а измерение проводится дифференциально, что в целом позволяет повысить точность измерения температуры.

1. Волоконно-оптический термометр, состоящий из источника света, микроконтроллера, светораспределительной системы, оптического фильтра, волоконно-оптического переключателя, по меньшей мере, двух фотоприемников, по меньшей мере, одного волоконно-оптического щупа, при этом волоконно-оптический переключатель соединен с одной стороны с волоконно-оптическими щупами посредством волоконного световода, с другой со светораспределительной системой, источник света соединен со светораспределительной системой посредством волоконного световода, светораспределительная система выполнена таким образом, что имеется разветвление на опорный и измерительный канал, при этом измерительный канал выполнен таким образом, что между светораспределительной системой и фотоприемником имеется оптический фильтр, соединенный с ними посредством волоконного световода, опорный канал выполнен в виде фотоприемника, соединенного со светораспределительной системой напрямую посредством волоконного световода, фотоприемники соединены с микроконтроллером посредством электрических проводов.

2. Термометр по п.1, отличающийся тем, что светораспределительная система выполнена в виде, по меньшей мере, одного волоконно-оптического циркулятора, фильтра, выполненного в виде волоконной решетки Брэгга или длиннопериодной решетки, и, по меньшей мере, одного волоконно-оптического переключателя, соединенных посредством волоконного световода.

3. Термометр по п.1, отличающийся тем, что светораспределительная система выполнена в виде, по меньшей мере, одного волоконно-оптического разветвителя, фильтра и, по меньшей мере, одного волоконно-оптического переключателя, соединенных посредством волоконного световода.

4. Термометр по п.1, отличающийся тем, что волоконно-оптические компоненты одномодовые.

5. Термометр по п.1, отличающийся тем, что волоконно-оптический щуп выполнен в виде волоконно-оптической решетки Брэгга, записанной на стандартном волоконном световоде типа SMF-28 или высокогерманатном световоде.

6. Термометр по п.1, отличающийся тем, что волоконно-оптический щуп выполнен в виде волоконно-оптической решетки Брэгга, записанной на волоконном световоде с полиимидным покрытием.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам измерения температурного распределения в протяженных объектах. .

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи. .

Изобретение относится к оптоволоконному датчику для измерения температуры и деформации в продольном направлении измерительного волокна. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры и/или напряжения в процессе непрерывной разливки. .

Изобретение относится к измерительной технике и, более конкретно, к интерференционным датчикам температуры. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для распределенного измерения температуры в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и других областях.

Изобретение относится к устройствам для измерения температурного распределения в протяженных объектах и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности, например, для измерения температуры в горизонтальных добывающих битумных скважинах.

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. .

Изобретение относится к средствам измерения температурного распределения в протяженных объектах. .

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. .

Изобретение относится к способу измерения параметра ванны расплава с помощью оптического волокна, окруженного покрытием. .

Изобретение относится к средствам измерения температурного распределения в протяженных объектах. .

Группа изобретений относятся к исследованиям скважин и может быть использована для мониторинга внутрискважинных параметров. Техническим результатом является оптимизация, автоматизация, повышение эффективности процесса добычи нефти, в т.ч. за счет повышения скорости и достоверности мониторинга внутрискважинных параметров по всей длине скважины. Способ мониторинга внутрискважинных параметров, при котором с помощью источника лазерного излучения формируют заданной длительностью и частотой световой импульс, поступающий в оптоволоконный кабель, где по всей длине кабеля выделяют излучение рассеяния. Излучение рассеяния, поступающее в блок обработки, преобразуют в электрический сигнал и усиливают, затем из него выделяют полезный сигнал, поступающий на вход второго контроллера, где определяют частоту смещения полезного сигнала относительно частоты генерации источника лазерного излучения, а затем по ее значению вычисляют текущее значение параметра изменения давления, полученные данные сравнивают с заданными в первом контроллере, при отклонении от которых автоматически регулируют процесс добычи нефти в соответствии с изменением притока, определяемого путем непрерывного измерения изменения давления, в скважине управляют частотой вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления меньше заданной величины увеличивают частоту вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления больше заданным значением уменьшают. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении параметров в расплавленных массах. Заявленное устройство предназначено для измерения температуры в массах расплавленного металла или расплавленного криолита, имеющих температуру плавления выше 500°С. Устройство содержит оптическое волокно для приема излучения от расплавленной массы и кабельный барабан, содержащий внешнюю окружность для приема оптического волокна и внутреннее пространство, окруженное этой внешней окружностью. Распределитель и модовый фильтр расположены во внутреннем пространстве кабельного барабана. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания распределительных систем измерения температуры и деформации. Бриллюэновская система для отслеживания температуры и деформации содержит одно- или двухстороннее волокно с множеством волоконных брэгговских решеток (ВБР) на разных длинах волн и лазерную систему с задающей накачкой, настраиваемую в диапазоне существенно большем, чем бриллюэновский сдвиг. ВБР распределены по длине размещенного волокна и служат как выбираемые отражатели длины волны, позволяющие поддерживать работу устройства даже в случае разрыва волокна. Технический результат: повышение точности и достоверности данных измерений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике оптических измерений и может быть использовано для измерения параметров физических полей (температура) с помощью оптических датчиков. Согласно заявленному предложению для определения параметра физического поля находят разность между амплитудами огибающих. По зависимости от разности амплитуд огибающих определяют обобщенную расстройку полосы пропускания оптического датчика от средней частоты первой и второй сгенерированных пар сигналов, которая однозначно связана с параметром измеряемого физического поля. Для осуществления данного способа предложено устройство, содержащее последовательно соединенные источник лазерного излучения, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический датчик и фотоприемник, а также контроллер определения параметра физического поля. В устройство также введены два избирательных фильтра и два амплитудных детектора. При этом источник лазерного излучения выполнен четырехчастотным, а выход фотоприемника через первый избирательный фильтр и первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля, который выполнен как контроллер определения температуры, и параллельно через второй избирательный фильтр и второй амплитудный детектор к его второму входу. Технический результат: повышение точности измерений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к использованию оптоволоконных систем измерения температуры и может быть использовано в скважинах с водородной средой. Техническим результатом является обеспечение возможности работы волоконно-оптического датчика в условиях с более высокой температурой и повышение надежности его работы в течении всего срока службы. Способ автоматической калибровки измерения температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик, содержащий этапы: а. в режиме измерения, на котором осуществляют обеспечение энергии светового импульса первичного источника светового излучения в измерительное волокно, и b. в течение режима коррекции, на котором осуществляют выбор вторичного источника светового излучения и подачу импульсов упомянутого вторичного источника светового излучения в измерительное волокно. При этом на первом этапе выполняют сбор обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения и вычисляют температуры с использованием интенсивностей обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения. На втором этапе осуществляют сбор обратнорассеянной стоксовой компоненты рамановского излучения от этого вторичного источника светового излучения; используют эту стоксовую компоненту рамановского излучения для коррекции профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения, собранного от первичного источника светового излучения во время режима измерения; и вычисляют скорректированную температуру, исходя из скорректированного профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения. Причем используемый волоконно-оптический распределенный датчик является оптическим волокном с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC). При этом первичный источник светового излучения является источником с длиной волны 1064 нм, а вторичный источник светового излучения является источником с длиной волны 980 нм. 3 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для мониторинга приборов и элементов мощных систем электроэнергетики. Заявлен волоконно-оптический измеритель температуры, содержащий расположенные по ходу излучения источник света, входное оптическое волокно, датчик, выходное оптическое волокно, фотоприемник, электронную систему индикации выходного оптического сигнала. Чувствительный элемент датчика выполнен в виде пластины из пористого стекла, поры которого заполнены рабочим веществом, изменяющим фазовое состояние при температуре, равной заданной пороговой температуре измерений. Технический результат - повышение стабильности работы датчика при воздействии внешних электрических и магнитных полей. 3 ил., 1 табл.

Раскрыт способ обнаружения опасной ситуации при помощи оптоволоконной сенсорной системы. Опросное устройство содержит источник света, спектрометр и устройство обработки данных. Опросное устройство используют для проведения быстрого сканирования множества волоконно-оптических сенсорных элементов. Первые значения параметра окружающей среды вычисляют для каждого волоконно-оптического сенсорного элемента из спектрографических данных и сравнивают с первым пороговым значением. Если первое значение параметра окружающей среды превышает первое пороговое значение для любого волоконно-оптического сенсорного элемента, быстрое сканирование прерывают для осуществления медленного сканирования с высоким разрешением указанного волоконно-оптического сенсорного элемента. Оптоволоконная сенсорная система передает сигнал тревоги в случае, если указанное медленное сканирование с высоким разрешением выявляет опасную ситуацию. Технический результат - повышение пространственного и/или температурного разрешения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры в расплавах, в особенности в расплавах металла или криолита с точкой плавления выше 600оС с температурным сенсором. Предложено сенсорное устройство для измерения температуры в расплавах с резервуаром, который на своей верхней стороне имеет отверстие и в котором размещен температурный сенсор. Температурный сенсор имеет трубку, выступающую в резервуар, в которой размещен волоконный световод, который при необходимости дополнительно на своей боковой поверхности содержит прилегающую трубчатую оболочку. Трубка или трубчатая оболочка на своем размещенном в резервуаре конце замкнута. Также предложен способ измерения температуры расплава с использованием заявленного сенсорного устройства. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для распределенного измерения температуры в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее. Согласно заявленному способу регистрируют обратно рассеянное излучение на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния с определением интенсивности антистоксова рассеяния излучения Ia. В процессе регистрации обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния дополнительно определяют интенсивность рэлеевского рассеяния излучения Ip от указанного импульсного оптического излучения. Последовательно во времени при генерировании вторым лазером импульсного оптического излучения проводят регистрацию обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния с определением интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ipa. Температуру Т определяют из отношения интенсивности антистоксова рассеяния излучения к интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ia/Ip, скорректированного с учетом интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ipa с условием, что температура Т пропорциональна математическому выражению. Технический результат - повышение чувствительности и точности измерений распределенного измерителя температуры при одновременном упрощении его конструкции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх