Устройство для измерения температуры

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН.3(51):O 01 К 11/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ 3 .. :В»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2979548/18-10 (,22) 05.09.80 (46) 07..06.83. Бюл. Р 21 (72) В.Ф. Золин и Ю.О. Яковлев (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР (53) 536.53(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 574631, кл. G 01 К 11/12, 1976.

2. Заявка Р 2856550/18-10, кл. G 01 К 11/12, 24.12.79, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства (,прототип ). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО д1И ИЗМЕРЕниЯ .

ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее источник света, фотоприемник, оптически свя„„SU„„9025 А занный с ними волоконный световод и термочувствительный датчик, выполненный в виде участка волоконного световода, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур, термочувствительный датчик легирован ионами редкоземельного элемента, а фотоприемник выполнен узкополосными с максимумом спектральной чувствительности на длине волны, соответ» ствующей линии поглощения ионов ред» коземельного элемента.

2. Устройство по п. 1,, о т л ич а ю щ е е с я тем, что концентрация ионов редкоземельного элемента находится в пределах от 0,01 до 30 вес. Ъ.

902583

Изобретение относится к измерительной технике.и может быть использовано для измерения температуры в различных отраслях промышленности.

Известны устройства для измерения температуры, содержащие источник света, термочувствительный полупроводниковый элемент, фотоприемник и волоконный световод, включающий осветительный и измерительный световолоконные жгуты, первый из которых расположен между источником света и термочувствительным полупроводниковым элементом, а второй между термочувствительным полупро водниковым элементом и фотоприемником 1 ).

Принцип действия таких устройств состоит в,том, что излучение от ис точника света распространяется по осветительному световоду и входит 29 в термочувствительный полупроводниковый элемент, поглощение света в которой меняется в зависимости от .температуры. Измерительный свето,вод воспринимает отраженный сигнал . 25 и передает его к Фотоприемнику. При этом интенсивность света,. восприни-J, мая фотоприемником, пропорциональна температуре среды, окружающей термочувствительный полупроводниковый элемент.

Недостатками этих Устройств являются .низкая точность измерения:температуры, обусловленная большими потерями излучения внутри термочувствительного полупроводникового элемента, а также большая инерцион-. ность устройств, связанная с большой теплоемкостью полупроводникового элемента.

Наиболее близким решением по 40 технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержащее источник света, фотоприемник, оптически связанный с ними волоконный 45 световод и термочувствительный датчик, выполненный в .виде участка волоконного световода (2 ).

Недостатком известного устройства являет я узкий диапазон измеряемых теМператур, обусловленный малым интервалом изменения показателей преломпения световода в зависимости от температуры.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых температур.

Эта цель достигается тем,, что в .. известном устройстве, термочувствительный датчик легирован ионами .редкоземельного элемента, а фотоприемник выполнен узкополосным с максимумом спектральной чувствительности на длине волны, соответствующей линии поглощения ионов, редкоземельного элемента. Концентрация ионов 65 редкоземельного элемента находится в пределах от 0,1 до 30 вес.В.

На фиг. 1 приведена схема выполнения устройства для измерения температуры, оптически связанные световодом источник света, фотоприемник и термочувствительный датчик," на фиг. 2 — схема выполнения устройства для измерения температуры, в котором осветительный и измерительный участки световода совмещены.

Устройство содержит источник 1 оптического излучения, фотоприемник

2, оптический связывающий их волоконный световод 3 и термочувствительный датчик 4, выполненный в виде участка указанного волоконного световода, легированного ионами редкоземельного элемента. Волоконный световод имеет осветительный 5 и измерительный б.участки. Фотоприемник выполнен узкополосным .с максимумом спектральной чувствительности-на длине волны, соответствующей одной из линий поглощения ионов названного редкоземельного элемента, обусловленной переходами с неосйовного уровня энергии.

На фиг. 2 показано устройство, в котором осветительный 5 и измеритель ный 6 участки волоконного световода

3 совмещены.

Устройство дополнительно содержит отражающее покрытие 7 на торце датчика 4 и светоделительную.пластину S, ответвляющую часть отраженного светового потока на фотоприемник.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение от источника 1 (фиг. 1 ) через участок 5 световода 3 попадает на участок 4, легированный ионами редкоземельного элемента. В спектре пропускания легированного участка-4 имеются полосы поглощения, обусловленные переходами между энергетическими уровнями ионов редкоземельного элемента.

Интенсивность полосы поглощения, обусловленной переходами с неосновного уровня энергии, пропорциональна заселенности этого уровня, заселенность изменяется с температурой и может быть определена по формуле

Больцмана.

Если температура окружающей среды изменится, например, повысится,, то на длинах волн,.соответствующих переходам между неосновными уровнями энергии, на легированном участке 4 увелится коэффициент поглощения оптического излучения, что приведет к уменьшению сигнала, поступающего через измерительный участок б на фотоприемник 2.

Изменение интенсивности поступаю щего на фотоприемник оптического

902583

Ь =х

I где Т - температура, при которой производилась градуировка;

Т - измеряемая температурау

- интенсивность оптического

1 излучения на указанной длине волны, поступающе- го на фотоприемник при измеряемой температуре, - интенсивность оптическо0

ro излучения.на указанной длине волны, поступающего на фотоприемник при температуре Т ;

Хо - коэффициент поглощения термочувствительного датчика на указанной длине волны при температуре Т, - постоянная Больцмана). дЕ - разность энергий между основным и тем неосновнии состояниями, переходам с которого соответствует выбранная длина волны, и следовательно, чувствительность термочувствительного датчика 4 прямо пропорциональна поглощению хц .

Поглощение в свою очередь пропорционально длине датчика и концентрации легирующих ионов редкоземельного элемента. Выбранный нижний предел концентрации укаэанных ионов, состав ляющий 0,01 вес.Ъ, соответствует .наличию полос поглощения, интенсив, ность которых находится на уровне серых потерь оптического излучения при распространении его по световоду. При концентрации менее 0,01 вес.Ъ полосы поглощения трудно обнаружимы.

В случае, когда датчик необходи-.мо сделать максимально коротким, чтобы поглощение Хе не. было малым, :требуЕтся.как можно большая концентрация ионов редкоземельного элемента, однако технология изготовления оптических волокон не позволяет ввести легирутацие добавки с концентрацией более 30 sec.Ъ, что тем самым определяет верхний предел по концентрации легирующих ионов.

Помимо коэффициента поглощения,, чувствительность датчика зависит также и от величины разности энергий ьЕ . Чувствительность датчика

Датчики могут быть изготовлены

35:из любого материала, используемого

:при изготовлений волоконных свето, водов. Верхний предел измеряемых температур равен температуре разрушения световодов из наиболее термо40 стойкого материала — кварца.

Устройство, представленное на фиг. 2, работает аналогично устройству, представленному на фиг. 1.

Отличительными особенно=тями явля45 ются следующие: оптическое излучение после прохождения через датчик 4 отражается от отражающего покрытия . 7, расположенного на торце датчика

4, вторично проходит через датчик 4 и па волоконному световоду 3 посту-, 50 пает на светоделительн . пластину

8, которая отражает часть оптического излучения на, фотоприемник 2.

Измерительная часть устройства малогабаритна, что позволяет использовать предлагаемое устройство для измерений температуры труднодоступных обьектов, а выполнение термо-чувствительного датчика из матерна» лов (кварц, стекло и т.п., стой-.

6р ких к воздействию агрессивных сред (кислота, щелочи и т.д. ), позволяет использовать предлагаемое устройство в химической промышленности.

Термочувствительный датчик выполня$5 .ется диэлектри |еским, поэтому-на излучения на длине волны, соответствующей переходу с неосновного уровня энергии ионов, используемого в датчике 4 редкоземельного элемента, находится по формуле. максимальна при температуре Т

1 sf. и к Дс

Величина разности энергий ЬЕ меж- . ду основным и неосновным состояниями различна для ионов разных редко-, земельных элементов, что дает возможность создания набора дйтМиков, легированных ионами различных редкоземельных элементов, перекрываю 0 щих в сумме температурный диапазон от 30 до 1300 К. Например, в датчике легированном ионами яиц+для полос поглощения, обусловленных пере- ходами с 7Г„ уровня, дЕ = 200 см и чувствительность максимальна при о

70 К, этот датчик может использоваться в температурном диапазоне от 30 до 250 К. Для полос поглощения, обусловленных перехода-. ми с "F> уровня иона .Eu +, Ж дЕ = 900 см " и Тмскс. 300 К. Для датчиков, легированййххк ионами ь з+, для полос поглощения, обусловленных переходами с H>j уровня, . ДЕ = 1000 сМ" Г к = 350 К, Датчик

25 может использоваться от 150 до 900Ъ.

Для полос поглощения с H иона

Ь

5р з+дЕ= 2500. см,Т„,„„с = 850 К. Для датчиков, легироваййых ионами Nd З, для полос погло|цения, обусловленных

Щ переходами с +3„„ . уровня дЕ =

2000 см.", T = 700 К, диапазон измеряемых температур от 400 до

11300 К.

902583

Составитель М.Вабищеэич

Техред;ХКузвма - КорректорВ.Бутяга

Редактор Петрова

Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ б322/1

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 его. показание не влияют электричес- применимо для контроля температуркие, электромагнитные и СВЧ-поля. . ных режимов СВЧ-генераторов и друВ связи с этим устройство может быть гой электронной аппаратуры.