Волоконно-оптический термометр

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.