ДАТЧИК КИСЛОРОДА, СОДЕРЖАЩИЙ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА С ПОКРЫТЫМ НАКОНЕЧНИКОМ
OXYGEN SENSOR COMPRISING A LARGE DIAMETER OPTICAL FIBER WITH A COATED TIP

Настоящее изобретение относится к датчику кислорода и более конкретно к датчику кислорода для использования в авиационных применениях, и более конкретно в применениях, относящихся к топливным бакам или модулям отделения воздуха.
Настоящее изобретение обеспечивает совершенствование измерения концентрации кислорода. Данное изобретение будет особенно полезно в измерении концентрации кислорода в незаполненном объеме топливного бака летательного аппарата или в модулях отделения воздуха.
Известно использование гашения флуоресценции для индикации наличия некоторых соединений, представляющих интерес. Флуоресцентный материал излучает свет c определенной длиной волны и интенсивностью, который имеет определенное время жизни излучения, после возбуждения определенной длиной волны, которая меньше, чем излучаемая длина волны. Интенсивность и время жизни излучения зависят от концентрации кислорода, контактирующего с флуоресцентным материалом. Когда концентрация кислорода увеличивается, интенсивность и время жизни флуоресцентного излучения уменьшаются, и эти увеличение и уменьшение прямо пропорциональны друг другу.
Датчики, используемые внутри топливных баков, содержат поверхность флуоресцентного материала, которая подвергается воздействию среды топливного бака. Уменьшение интенсивности и времени жизни излучения флуоресцентного материала при наличии кислорода обеспечивает прямое измерение концентрации кислорода около поверхности датчика. Флуоресцентное излучение материала, который возбужден электромагнитным способом, уменьшается прямо пропорционально концентрации соединений, представляющих интерес. Материалы, такие как платина-тетракис-пентафторфенил-порфирин и платина-октаэтилпорфирин, используются в качестве материалов, чувствительных к газообразному кислороду. Однако среда топливного бака является агрессивной и может вызывать деградацию флуоресцентного материала. Эта деградация материала приводит к уменьшению интенсивности и изменениям времени жизни флуоресцентного излучения, и это может быть неверно интерпретировано как более высокий уровень кислорода.
Процесс флуоресцентного излучения может быть обобщен следующим образом:
hν
Возбуждение: L+ 1=L* (уравнение 1)
hν
Флуоресценция: L*= L+2 (уравнение 2)
2
2
Гашение: L*+O=L+O* (уравнение 3)
hν
hν
hν
Уравнение 1 отображает процесс электромагнитного возбуждения флуорофора фотоном с энергией hν1. Уравнение 2 отображает излучение фотона с энергией 2, в тех случаях, когда возбужденный флуорофор L* возвращается в невозбужденное состояние L и, причем, 2 < 1. При наличии кислорода, флуорофор передает энергию молекуле кислорода при столкновении, как это показано посредством уравнения 3. Эта передача энергии не испускает фотон в процессе, который определяют как гашение. Гашение возбужденного флуорофора молекулой кислорода приводит к уменьшению общей интенсивности и времени жизни излучения. Именно этот механизм, который обеспечил возможность разработки оптического датчика кислорода. Датчики нашли конкретное применение в авиакосмических топливных баках, но было обнаружено, что, когда датчик подвергается воздействию жидкого топлива, чувствительный к кислороду материал деградирует. Также, когда флуоресцентный материал подвергается воздействию топлива в баке, флуорофор может экранироваться молекулами углеводородов в топливе. Это взаимодействие может приводить к фото-обесцвечиванию, которое может приводить к необратимой деградации флуорофора. Если флуорофор и кислород не взаимодействуют, то тогда общая интенсивность и время жизни излучения увеличиваются. Это увеличение может быть неверно интерпретировано в качестве пониженной концентрации кислорода. Также будет необходимо калибровать или сравнивать с эталоном излучение от чувствительного к кислороду флуорофора.
Настоящее изобретение направлено на преодоление проблем уровня техники посредством обеспечения датчика кислорода, включающего в себя чувствительный к кислороду флуоресцентный материал, включающий в себя сочетание: чувствительного к кислороду красителя и нечувствительного к кислороду красителя, причем оба красителя являются флуорофорами. Нечувствительный к кислороду краситель может быть кремний-октаэтилпорфирином. Чувствительный к кислороду краситель может быть платина-тетракис-пентафторфенилпорфирином или платина-октаэтилпорфирином. Эти два красителя могут быть диспергированы в полимерной матрице, например, полидиметилсилоксановой матрице. В качестве альтернативы, материал может быть изготовлен с использованием золь-гель-ксерогель процесса. С использованием этой технологии, становится возможным диспергировать материал в стойкой к топливу и проницаемой для кислорода фторосиликоновой резине.
Чувствительный к кислороду краситель и нечувствительный к кислороду краситель могут быть возбуждены одной и той же длиной волны. Каждый из этих красителей, в сравнении с другим красителем, излучает отличную длину волны, интенсивность, и его излучение имеет отличное время жизни. После взаимодействия с молекулами кислорода, интенсивность и время жизни излучения уменьшаются для чувствительного к кислороду красителя, в то время как интенсивность и время жизни излучения нечувствительного к кислороду красителя остаются неизменными.
Датчик имеет наконечник, содержащий сочетание нечувствительного к кислороду красителя и чувствительного к кислороду красителя. Наконечник находится на конце волокна большого оптического диаметра. Другой конец волокна большого оптического диаметра выполнен с возможностью соединения с призмой или датчиками для разделения длин волн. Волокно большого диаметра размещено в трубке, предпочтительно, изготовленной из стали. Один конец трубки имеет резиновую мембрану и один или более вентиляционных клапанов, которые предотвращают взаимодействие жидкого топлива с флуорофорами, но которые допускают взаимодействие между флуорофорами и кислородом. Мембрана может быть изготовлена из любого подходящего материала, стойкого к авиакосмическим топливам и проницаемого для газообразного кислорода, например, фторосиликоновой резины, полидиметилсилоксана.
Устройство для передачи возбуждающего света и для приема излучения от чувствительного к кислороду флуоресцентного материала включает в себя оптическое волокно. Это волокно имеет, предпочтительно, большой диаметр. Устройство дополнительно включает в себя трихроичную призму и два фотодетектора или трехцветные датчики, такие как интегральные RGB-датчики. Трихроичная призма и два фотодетектора или трехцветные датчики, такие как интегральные RGB-датчики, разделяют три длины волны; длину волны возбуждения и длины волн излучения от каждого красителя. Интенсивность и время жизни преобразуются в пропорциональные токи. Управляемые током усилители напряжения используются для преобразования тока в напряжение (V1), которое пропорционально интенсивности или времени жизни излучения от нечувствительного к кислороду красителя, и напряжение (V2), которое пропорционально интенсивности или времени жизни излучения от чувствительного к кислороду красителя. Возбуждение является импульсным для того, чтобы измерять время жизни излучения. Как правило, время жизни флуоресценции находится между 70 и 100 мкс и контролируется в течение известного времени. Время жизни и интенсивность можно измерять совместно.
Во время функционирования датчика, напряжения (V1 и V2) сравнивают друг с другом для заключения о характеристиках чувствительного к кислороду флуоресцентного материала. Когда уровень кислорода увеличивается, V2 уменьшается, а V1 остается неизменным. Если материал деградирует при отсутствии изменений в концентрации кислорода, то тогда V1 и V2 будут уменьшаться вместе. Характеристики материала, концентрация кислорода и чувствительность могут быть откалиброваны посредством отношения V1/V2. Это сравнение напряжений является эффективным при встроенной самопроверке.
Настоящее изобретение описано со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает зонд датчика, имеющий датчик согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 показывает датчик и средство для разделения длин волн излучения от флуорофоров и излучения возбуждения согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 показывает пример флуоресцентного излучения от двух флуорофоров.
Фиг. 4 показывает окно известного времени, в котором измеряют время жизни излучения.
Фиг 1 показывает зонд 20 датчика, который включает в себя волокно 22 большого диаметра, имеющее волоконный соединитель 24 для соединения волокна с трихроичной призмой или трехцветным датчиком. Волокно 22 большого диаметра имеет наконечник 26 (показанный более подробно в увеличенной области), который оканчивается в чувствительном к кислороду флуоресцентном материале 28, который включает в себя чувствительный к кислороду краситель и нечувствительный к кислороду краситель, причем оба эти красители являются флуорофорами. Волокно 22 большого диаметра размещено внутри трубки 30 для защиты. Трубка имеет вентиляционный клапан 32, соединяемый c ней, который включает в себя мембрану для предотвращения взаимодействия жидкого топлива и наконечника 28 с двумя флуорофорами.
Фиг. 2 показывает упрощенную версию зонда датчика, показанного на фиг. 1. Чувствительный к кислороду флуоресцентный материал 28 расположен на одном конце оптического волокна 22 большого диаметра. На другом конце оптического волокна 22 находится трихроичная призма 40. Фотоны направляются через призму 40 и передаются оптическим волокном 22 для возбуждения флуорофоров в наконечнике 28. Излучение от флуорофоров передается волокном 22 и проходит через трихроичную призму 40 для разделения трех длин волн, состоящих из длины волны возбуждения, длины волны излучения от чувствительного к кислороду красителя 36 и длины волны излучения от нечувствительного к кислороду красителя 38. Два фотодетектора (не показаны) используются для преобразования информации об интенсивности или времени жизни в пропорциональные токи I1 и I2. Затем ток преобразуется в напряжение посредством управляемых током усилителей напряжения.
Фиг. 3 показывает график энергии относительно интенсивности флуоресценции. Можно увидеть, что интенсивность излучения от чувствительного к кислороду красителя уменьшается, а концентрация кислорода увеличивается. Однако, интенсивность излучения от нечувствительного к кислороду красителя остается неизменной при изменении концентрации кислорода.
Фиг. 4 показывает окно 50 измерения известного времени, в котором измеряют время жизни излучения. Общая интегральная интенсивность в окне 50 измерения обеспечивает измерение концентрации кислорода.
Конструкция, аналогичная показанной и описанной конструкции датчика кислорода, может быть использована в применениях, относящихся к топливному баку и модулям отделения воздуха.
Признаки, раскрытые в приведенном выше описании или в нижеследующей формуле изобретения, или на сопровождающих чертежах, выраженные в своих конкретных формах или с точки зрения средства для выполнения раскрытой функции, или способа достижения раскрытого результата, в соответствующих случаях, могут быть использованы для реализации настоящего изобретения в других их формах, отдельно или в любом сочетании таких признаков.