ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР
FIBER OPTICAL THERMOMETER

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.
i
j
i
j
i
j
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 Δλ≠Δλ, где i и j - номера волоконно-оптических датчиков, i, j∈N, где N - множество волоконно-оптических датчиков термометра, при этом разность Δλ-Δλ не равна и не кратна в целом и частном Δλ и Δλ.
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.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Волоконно-оптический термометр (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит источник света 1, светораспределительную систему 2, N волоконно-оптических датчиков 3-3, где N натуральное число и может принимать значения, например, 1, 2, 3, 4, 5 и т.д., причем каждый волоконно-оптический датчик 3-3 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 3-3, 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 3-3, а в каждом волоконно-оптическом датчике 3-3 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).
1
N
В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике 3-3 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).
1
N
В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике 3-3 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).
1
N
i
j
1
N
1
N
i
j
i
j
В частности, в каждом волоконно-оптическом датчике 3-3 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 Δλ≠Δλ, где i и j - номера волоконно-оптических датчиков 3-3, i, j∈N, где N - множество волоконно-оптических датчиков термометра 3-3, при этом разность Δλ-Δλ не равна и не кратна в целом и частном Δλ и Δλ (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.
1
N
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 3-3 через оптический разветвитель 10.
1
N
i
j
1
N
1
N
i
j
i
j
1
N
1
N
В каждом волоконно-оптическом датчике 3-3 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 Δλ≠Δλ, где i и j - номера волоконно-оптических датчиков 3-3, j∈N, где N - множество оптических датчиков 3-3, при этом разность Δλ-Δλ, не равна и не кратна в целом и частном Δλ и Δλ, которые отражаются от первой волоконной решетки Брэгга 5 в волоконно-оптических датчиках 3-3, 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 3-3 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.