22.09.2018
218.016.8995

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области измерения температуры в зонах с сильными электромагнитными помехами, в зонах повышенной взрыво- и 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. Волоконно-оптический термометр содержит оптический разветвитель, вход и выходы которого соответственно соединены волоконными световодами с третьим выходом светораспределительной системы и с каждым волоконно-оптическим датчиком, а в каждом волоконно-оптическом датчике перед записанной на торце волоконного световода первой волоконной решеткой Брэгга записана вторая волоконная решетка Брэгга по меньшей мере с двумя фазовыми сдвигами. В волоконно-оптическом термометре в каждом волоконно-оптическом датчике первая волоконная решетка Брэгга может быть записана либо как продолжение второй волоконной решетки Брэгга, тогда конструкция датчика имеет вид щупа, либо на расстоянии от второй волоконной решетки Брэгга, позволяющем свернуть петлю и уложить первую волоконную решетку Брэгга в непосредственном контакте со второй, закрепив их на наконечнике произвольной плоской или объемной формы, тогда конструкция датчика имеет кольцевой вид. Технический результат - повышение чувствительности измерений. 4 з.п. ф-лы. 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области измерения температуры в зонах с сильными электромагнитными помехами, в зонах повышенной взрыво- и 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.

Известен волоконно-оптический термометр, включающий в себя волоконно-оптический датчик температуры с расположенным на его конце термочувствительным элементом из арсенида галлия (патент США US 2006/0251147 А1 «Контроль и мониторинг изменения температуры», опубликован 09.11.2006) и регистрирующую систему.

Измерение температуры выполняется при контакте термочувствительного элемента с поверхностью объекта. Конструктивным недостатком такого термометра является сложная технология изготовления датчика, применение многомодовых волокон, что ограничивает диапазон измерений по дальности расположения датчиков и точность измерения. Кроме того, низкая чувствительность измерений определяется детектированием информационных сигналов в области постоянного тока, характеризующегося высоким уровнем собственных шумов фотоприемника, и отсутствием прямой адресности датчика.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является волоконно-оптический термометр (патент РФ RU 2491523 С1, «Волоконно-оптический термометр», опубликован 27.08.2013) с помощью которого 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 состоит из источника света, микроконтроллера, светораспределительной системы, оптического фильтра, волоконно-оптического переключателя, по меньшей мере, двух фотоприемников, по меньшей мере, одного волоконно-оптического датчика в виде 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 и разветвителя; фильтра, выполненного в виде волоконной решетки Брэгга или длиннопериодной решетки, и, по меньшей мере, одного волоконно-оптического переключателя, соединенных посредством волоконного световода; волоконо-оптические компоненты могут быть одномодовыми; волоконно-оптический щуп может быть выполнен в виде волоконно-оптической решетки Брэгга, записанной на стандартном волоконном световоде типа SMF-28 или высокогерманатном световоде с полиимидным покрытием.

Недостатком указанного волоконно-оптического термометра является низкая чувствительность, обусловленная детектированием информационного сигнала температуры по постоянному току, как определение соотношения мощностей сигналов на выходе двух фотоприемников, зависящего от спектрального положения отраженного от датчика света по сравнению с положением оптического фильтра, не смотря на то, что измерение проводится дифференциально, что в целом позволяет повысить точность измерения температуры, за счет устранения влияния нестабильностей источника света и внешних факторов, воздействующих одинаково на опорный и измерительный канал. Кроме того, в данном техническом решении по-прежнему отсутствует прямая адресность датчика - волоконной решетки Брэгга, записанной вблизи торца волоконно-оптического щупа. Присутствует лишь косвенная адресность по условному положению оптического переключателя, который в свою очередь ограничивает процесс измерения только последовательными измерениями (опрос волоконно-оптических щупов с определенной ограниченной скоростью).

Техническая проблема заключается в недостаточной чувствительности измерений.

Решаемая техническая задача (технический результат) предлагаемого волоконно-оптического термометра заключается в повышении чувствительности измерений.

Решаемая техническая задача (технический результат) в волоконно-оптическом термометре, содержащем источник света, светораспределительную систему, N волоконно-оптических датчиков, где N натуральное число и N≥1, причем каждый волоконно-оптический датчик выполнен так, что содержит волоконный световод на торце которого записана первая волоконная решетка Брэгга, оптический фильтр, первый фотоприемник, второй фотоприемник и микроконтроллер, при этом источник света соединен со светораспределительной системой посредством волоконного световода, светораспределительная система выполнена таким образом, что имеет три выхода на опорный и измерительный каналы, и канал для подключения волоконно-оптических датчиков, при этом измерительный канал выполнен таким образом, что между первым выходом светораспределительной системы и первым фотоприемником имеется оптический фильтр, соединенный с ними посредством волоконного световода, опорный канал выполнен в виде второго фотоприемника, соединенного со вторым выходом светораспределительной системы напрямую посредством волоконного световода, выходы первого и второго фотоприемника соединены с первым и вторым входами микроконтроллера соответственно посредством электрических проводов, достигается тем, что в него введен оптический разветвитель, вход и выходы которого соответственно соединены волоконными световодами с третьим выходом светораспределительной системы и с каждым волоконно-оптическим датчиком, а в каждом волоконно-оптическом датчике перед записанной на торце волоконного световода первой волоконной решеткой Брэгга, записана вторая волоконная решетка Брэгга, по меньшей мере, с двумя фазовыми сдвигами.

В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике вторая волоконная решетка Брэгга может быть записана непосредственно как продолжение первой волоконной решетки Брэгга, а конструкция самого датчика имеет вид щупа.

В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике вторая волоконная решетка Брэгга может быть записана на расстоянии от первой волоконной решетки Брэгга, которое позволяет свернуть петлю с радиусом, большим минимально возможного для используемого типа волокна, и уложить первую волоконную решетку Брэгга в непосредственном контакте со второй, закрепив их на наконечнике произвольной плоской или объемной формы, а сама конструкция волоконно-оптического датчика будет иметь кольцевой вид.

В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике вторая волоконная решетка Брэгга может содержать, по меньшей мере, два фазовых π-сдвига, симметрично расположенных относительно ее центральной длины волны, которая совпадает с центральной длиной волны первой волоконной решетки Брэгга во всем диапазоне измеряемых температур, и разнесенных на величину Δλ, не превышающую ее ширину спектра. При этом разнос фазовых сдвигов Δλi≠Δλj, где i и j - номера волоконно-оптических датчиков, i, j∈N, где N - множество волоконно-оптических датчиков термометра, при этом разность Δλi-Δλj не равна и не кратна в целом и частном Δλi и Δλj.

На фиг. 1 изображена структурная схема волоконно-оптического термометра, на фиг. 2 - конструкция волоконно-оптического датчика в виде щупа, на фиг. 3 - конструкция волоконно-оптического датчика в виде кольцевого наконечника, на фиг. 4 - спектр второй волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, на фиг. 5 представлен алгоритм работы микроконтроллера.

Волоконно-оптический термометр (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит источник света 1, светораспределительную систему 2, N волоконно-оптических датчиков 31-3N, где N натуральное число и может принимать значения, например, 1, 2, 3, 4, 5 и т.д., причем каждый волоконно-оптический датчик 31-3N выполнен так, что содержит волоконный световод 4 (фиг. 2, фиг. 3) на торце которого записана первая волоконная решетка Брэгга 5 (фиг. 2, фиг. 3), оптический фильтр 6, первый фотоприемник 7, второй фотоприемник 8 и микроконтроллер 9, при этом источник света 1 соединен со светораспределительной системой 2 посредством волоконного световода, светораспределительная система 2 выполнена таким образом, что имеет три выхода на опорный и измерительный каналы, и канал для подключения волоконно-оптических датчиков 31-3N, при этом измерительный канал выполнен таким образом, что между первым выходом светораспределительной системы 2 и первым фотоприемником 7 имеется оптический фильтр 6, соединенный с ними посредством волоконного световода, опорный канал выполнен в виде второго фотоприемника 8, соединенного со вторым выходом светораспределительной системы 2 напрямую посредством волоконного световода, выходы первого и второго фотоприемника 7 и 8 соединены с первым и вторым входами микроконтроллера 9 соответственно посредством электрических проводов. Волоконно-оптический термометр содержит оптический разветвитель 10, вход и выходы которого соответственно соединены волоконными световодами с третьим выходом светораспределительной системы 2 и с каждым волоконно-оптическим датчиком 31-3N, а в каждом волоконно-оптическом датчике 31-3N перед записанной на торце волоконного световода первой волоконной решеткой Брэгга 5 (фиг. 2, фиг. 3), записана вторая волоконная решетка Брэгга 11 (фиг. 2, фиг. 3), по меньшей мере, с двумя фазовыми сдвигами 12 (фиг. 2).

В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике 31-3N вторая волоконная решетка Брэгга 11 может быть записана непосредственно как продолжение первой волоконной решетки Брэгга 5, а конструкция самого датчика имеет вид щупа (фиг. 2).

В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике 31-3N вторая волоконная решетка Брэгга 11 может быть записана на расстоянии от первой волоконной решетки Брэгга 5, которое позволяет свернуть петлю 13 с радиусом, большим минимально возможного для используемого типа волокна, и уложить первую волоконную решетку Брэгга 5 в непосредственном контакте со второй 11, закрепив их на наконечнике произвольной плоской или объемной формы, а сама конструкция волоконно-оптического датчика будет иметь кольцевой вид (фиг. 3).

В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике 31-3N вторая волоконная решетка Брэгга 11 может содержать, по меньшей мере, два фазовых π-сдвига 12, симметрично расположенных относительно ее центральной длины волны, которая совпадает с центральной длиной волны первой волоконной решетки Брэгга во всем диапазоне измеряемых температур, и разнесенных на величину Δλ, не превышающую ее ширину спектра (фиг. 4). При этом разнос фазовых сдвигов 12 Δλi≠Δλj, где i и j - номера волоконно-оптических датчиков 31-3N, i, j∈N, где N - множество волоконно-оптических датчиков термометра 31-3N, при этом разность Δλi-Δλj не равна и не кратна в целом и частном Δλi и Δλj (фиг. 4). Подключают компоненты схемы согласно фиг. 1, подключают источник света 1, первый фотоприемник 7, второй фотоприемник 8, и микроконтроллер 9 к источникам питания (система электропитания на фиг. 1 не показана), производят запись программы обработки сигнала согласно алгоритму, представленному на фиг. 5 в микроконтроллер 9.

Рассмотрим работу волоконно-оптического термометра (фиг. 1 - фиг. 5). Свет от источника 1 (фиг. 1) проходит в светораспределительную систему 2, направляется на волоконно-оптические датчики 31-3N через оптический разветвитель 10.

В каждом волоконно-оптическом датчике 31-3N во второй волоконной решетке Брэгга 11 в окнах прозрачности из полного спектра света вырезаются два узкополосных участка с разносом Δλ, причем разнос фазовых сдвигов 12 Δλi≠Δλj, где i и j - номера волоконно-оптических датчиков 31-3N, j∈N, где N - множество оптических датчиков 31-3N, при этом разность Δλi-Δλj, не равна и не кратна в целом и частном Δλi и Δλj, которые отражаются от первой волоконной решетки Брэгга 5 в волоконно-оптических датчиках 31-3N, и возвращаются через те же окна прозрачности второй волоконной решетки Брэгга 11, формируя двухчастотное излучение света. Так как центральная длина волны второй волоконной решетки Брэгга 11 совпадает с центральной длиной волны первой волоконной решетки Брэгга 5 во всем диапазоне измеряемых температур разнос Δλ и величина амплитуд двухчастотного излучения света остаются постоянными, меняется лишь их спектральное положение относительно оптического фильтра 6. Отразившись от каждого волоконно-оптического датчика 31-3N две составляющие света возвращаются через оптический разветвитель 10 в светораспределительную систему 2, где обе разделяются на две части, одна из которых направляется на второй фотоприемник 8 непосредственно, другая направляется на первый фотоприемник 7 через оптический фильтр 6, где они ослабляются, каждая в соответствии с ее спектральным положением относительно характеристики пропускания оптического фильтра 6. Таким образом, на выходе второго фотоприемника 8 формируются огибающая биений двух частотных составляющих равной амплитуды с частотой, соответствующей разносу Δλ, а на выходе первого фотоприемника 7 формируются огибающая биений двух частотных составляющих разной амплитуды, зависящих от спектрального положения отраженного от датчиков света, также с частотой, соответствующей разносу Δλ. Микроконтроллер 9 принимает сигналы с первого и второго фотоприемника 7 и 8 и обрабатывает их по алгоритму, представленному на фиг. 5.

Волоконно-оптический термометр может быть создан на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм:

- источник света 1 SLD-1550-3 - лазерный диод фирмы «Superlum»;

- светораспределительная система 2, выполненная в виде оптического разветвителя, оптический разветвитель 10 - оптический разветвитель ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;

- светораспределительная система 2, выполненная в виде циркуля-тора - циркулятор 3PIOC-1550 фирмы «Flyin»;

- первая волоконная решетка Брэгга 5, оптический фильтр 6 - волоконная решетка Брэгга записанная в НЦВО «Фотоника» (Москва), или НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), или Инверсия-Файбер (Новосибирск), или Инверсия-Сенсор (Пермь) и т.д., либо покупные датчики этих фирм и фирмы FiberSensing;

- первый фотоприемник 7, второй фотоприемник 8 - высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;

- микроконтроллер 9 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;

- вторая волоконная решетка Брэгга 11 - волоконная решетка Брэгга по меньшей мере, с двумя фазовыми сдвигами 12 записанная в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань);

При реализации волоконно-оптического термометра все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.

По сравнению с прототипом, предложенный волоконно-оптический термометр позволяет повысить чувствительность измерений за счет обработки сигнала на частоте биений компонент двухчастотного сигнала, равной разностной частоте между ними, что существенно сужает полосу пропускания приемной части устройства (с единиц ГГц до единиц МГц) и соответственно повышает отношение сигнал/шум измерений.

Дополнительным преимуществом предложенного волоконно-оптического термометра по сравнению с прототипом является то, что устранение из схемы волоконно-оптического переключателя, при котором была возможна лишь косвенная адресность, позволяет проводить опрос волоконно-оптических датчиков с неограниченной скоростью.

Испытания опытного образца волоконно-оптического термометра были проведены на оптических датчиках, изготовленных в НИИ ПРЭФЖС КНИ-ТУ-КАИ (Казань), откалиброваны на оптических анализаторах спектра ANDO там же, количество волоконно-оптических датчиков составляет 256. Исследования показали, что использование предложенного волоконно-оптического термометра, позволяет повысить чувствительность измерений в 3-6 раза, при этом погрешность измерения температуры составляет ±0,3°С в диапазоне 240°С. Погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП микроконтроллера, а также неточностью изготовления второй волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми сдвигами.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - повышении чувствительности измерений.


ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-3 из 3.
24.08.2017
№217.015.9581

Устройство для измерения параметров физических полей

Устройство относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура, давление, натяжение и т.д.) с помощью оптических датчиков. В заявленном устройстве для измерения параметров физических полей последовательно соединены источник...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608394
Дата охранного документа: 18.01.2017
26.08.2017
№217.015.d39b

Способ электролитно-плазменной обработки изделий, изготовленных с применением аддитивных технологий

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для электролитно-плазменной обработки изделий, изготовленных с применением аддитивных технологий. Способ включает зажигание разряда между обрабатываемым изделием, изготовленным путем сплавления мелкодисперсных порошков...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621744
Дата охранного документа: 07.06.2017
24.11.2019
№219.017.e578

Газовоздушная форсунка

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности к конструкциям камер сгорания газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора. Топливовоздушная форсунка, содержащая...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002707018
Дата охранного документа: 21.11.2019
Показаны записи 1-10 из 30.
20.03.2014
№216.012.ac8d

Способ мониторинга внутрискважинных параметров (варианты) и система управления процессом добычи нефти

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509888
Дата охранного документа: 20.03.2014
10.04.2014
№216.012.b729

Способ измерения параметров физических полей и устройство для его осуществления

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002512616
Дата охранного документа: 10.04.2014
27.05.2014
№216.012.c92a

Способ диагностики технического состояния авиационных газотурбинных двигателей

Способ предназначен для испытания, доводки, диагностики и эксплуатации турбореактивных реактивных двигателей, а конкретно для диагностики технического состояния ГТД по акустическим и газодинамическим параметрам потока. Сравнивают поля акустических и газодинамических параметров потока скорости и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517264
Дата охранного документа: 27.05.2014
27.06.2014
№216.012.d5e7

Способ измерения характеристик резонансных структур и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технике резонансных радиотехнических измерений. Способ включает генерацию зондирующего колебания, подачу на вход и прием с выхода резонансной структуры, перестройку частоты зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002520537
Дата охранного документа: 27.06.2014
20.09.2014
№216.012.f608

Способ прогнозирования риска прогрессирования глаукомной оптической нейропатии

Изобретение относится к области медицины, а именно к офтальмологии, и может использоваться для прогнозирования степени риска прогрессирования глаукомной оптической нейропатии (ГОН). У больного глаукомной оптической нейропатией определяют сумму градусов полей зрения, внутриглазное давление и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002528817
Дата охранного документа: 20.09.2014
10.10.2014
№216.012.fce6

Способ прогнозирования риска прогрессирования глаукомной оптической нейропатии

Изобретение относится к области медицины, а именно к офтальмологии, и может использоваться для прогнозирования риска прогрессирования глаукомной оптической нейропатии (ГОН). У больных ГОН определяют уровень лактата в крови и при значении уровня лактата ≥4,33 ммоль/л прогнозируют высокий риск...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530588
Дата охранного документа: 10.10.2014
20.10.2014
№216.012.feb1

Способ измерения акустических характеристик газовых струй на срезе выходных устройств гтд и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области измерительной техники, в частности к способу и устройству диагностирования газотурбинных двигателей по изменению аэроакустических характеристик потока. Способ измерения акустических характеристик газовых струй на срезе выходных устройств газотурбинных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002531057
Дата охранного документа: 20.10.2014
27.10.2014
№216.013.0103

Бортовое устройство оценки качества топлива

Изобретение относится к области исследования или анализа веществ и материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к рефрактометрическим датчикам оценки качества топлива. Устройство содержит источник оптического излучения, первый отрезок оптического волокна,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002531657
Дата охранного документа: 27.10.2014
10.05.2015
№216.013.4a8e

Способ для измерения характеристик резонансных структур и устройство для его реализации

Техническое решение относится к технике резонансных радиотехнических измерений для вычисления и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов. Сущность: способ для измерения характеристик резонансных структур заключается в том, что генерируют одночастотное зондирующее...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002550593
Дата охранного документа: 10.05.2015
27.07.2015
№216.013.65a8

Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении

Техническое решение относится к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель и как минимум один измерительный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557577
Дата охранного документа: 27.07.2015

Похожие РИД в системе