ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в химической, нефтехимической и нефтегазовой отраслях для измерения показателя преломления жидкостей и газов.
Известно устройство измерения показателя преломления (WO 8203460), включающее щуп, выполненный в виде торца одного или нескольких оптических волокон. Щуп позволяет выполнить измерение сигнала, отраженного от границы раздела торца оптического волокна и измеряемой среды, при этом показатель преломления оптического волокна должен быть выше показателя преломления измеряемой среды, в соответствии с формулой Френеля.
Недостатками известного устройства являются маленькая рабочая площадь и низкий показатель преломления щупа из-за использования торца волокна, в качестве щупа, в результате чего возникают погрешности при измерениях показателя преломления в средах, содержащих нерастворенные частицы.
Известно устройство измерения показателя преломления (патент RU №2506568 от 10.02.2014), содержащее, по меньшей мере, один щуп-зонд, соединенный с регистрирующим модулем посредством оптического световода. При этом щуп-зонд может быть выполнен разными способами: с использованием керамической ферулы и плоско-выпуклой линзы из материала с высоким показателем преломления; или с использованием плоско-выпуклой линзы для обеспечения перпендикулярности направления отраженного пучка света от раздела сред линза-измеряемое вещество; или с использованием волоконно-оптического коллиматора для расширения светового пучка, после которого расположена призма из материала с высоким показателем преломления с углами между основаниями, обеспечивающими отражение светового потока от границы двух сред или в виде волоконного световода из материала с высоким показателем преломления с конвертером поля моды, который представляет собой адиабатическое расширение диаметра поля моды в направление выходного торца, имеющего перпендикулярный скол. Данное устройство принято за прототип.
Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются высокая чувствительность всей системы к неконтролируемым потерям в оптическом тракте по причине сравнения интенсивностей двух волн, распространяющихся по разным световодам.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, - источник электромагнитного излучения, соединенный с первым разветвителем, делящим излучение на опорное и хотя бы одно измеряющее волоконно-оптические плечи; по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде участка волоконного световода и расположенный в измеряющем плече; по меньшей мере, два фотоприемника, подключенные к блоку обработки информации.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание высокоточного устройства непрерывного измерения показателя преломления жидкостей, газов, коллоидных растворов и других подобных веществ, расширение арсенала технических средств.
Поставленная задача была решена за счет того, что известное волоконно-оптическое устройство измерения показателя преломления, содержащее источник электромагнитного излучения, соединенный с первым разветвителем, делящим излучение на опорное и, хотя бы одно измеряющее волоконно-оптические плечи, расположенный в измеряющем плече, по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде участка волоконного световода и, по меньшей мере, два фотоприемника, подключенные к блоку обработки информации, согласно полезной модели, снабжено поляризаторами, поляризующими свет во взаимоперпендикулярных направлениях, вторым и третьим разветвителями, анализаторами, отделяющими излучение опорного плеча от измеряющего, входы поляризаторов соединены с опорным и измеряющим волоконно-оптическими плечами, а выходы поляризаторов соединены через второй разветвитель со специальным волокном, сохраняющим поляризацию, и соединенным с третьим разветвителем, третий разветвитель соединен с анализаторами, отделяющими излучение опорного плеча от измеряющего, анализаторы соединены с фотоприемниками, при этом чувствительный элемент выполнен в виде объемной спирали световода, уложенной виток к витку на внешней поверхности цилиндрической оправы-корпуса, с возможностью изменения чувствительности посредством выбора рабочей длины волны, а источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны.
В качестве специального световода может быть использован световод с малым двулучепреломлением.
В качестве специального световода может быть использован световод типа PANDA.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - поляризаторы, поляризующие свет во взаимоперпендикулярных направлениях; второй и третий разветвители; анализаторы, отделяющие излучение опорного плеча от измеряющего; входы поляризаторов соединены с опорным и измеряющим волоконно-оптическими плечами; выходы поляризаторов соединены через второй разветвитель со специальным волокном, сохраняющим поляризацию, и соединенным с третьим разветвителем; третий разветвитель соединен с анализаторами, отделяющими излучение опорного плеча от измеряющего; анализаторы соединены с фотоприемниками; чувствительный элемент выполнен в виде объемной спирали световода, уложенной виток к витку на внешней поверхности цилиндрической оправы-корпуса; чувствительный элемент выполнен с возможностью изменения чувствительности посредством выбора рабочей длины волны; источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны; в качестве специального световода использован световод с малым двулучепреломлением; в качестве специального световода использован световод типа PANDA.
Благодаря разделению луча света на измеряющий и опорный пучки взаимоперпендикулярной поляризацией и, объединяя информацию о их мощности, происходит устранение дрейфа мощности лазера, что позволяет более точно определить значение показателя преломления, принимая к сведению, что по мощности опорного луча можно определить текущую мощность источника, зная потери на разделителях, поляризаторах и анализаторах.
Выполнение чувствительного элемента в виде объемной спирали световода, уложенной виток к витку на внешней поверхности цилиндрической оправы-корпуса, с возможностью изменения чувствительности посредством выбора рабочей длины волны позволяет производить точное непрерывное измерение показателя преломления исследуемого вещества.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического устройства измерения показателя преломления.
0
На фиг. 2 показано изменение мощности на чувствительном элементе, расположенном в координате Х, при источнике электромагнитного излучения без дрейфа мощности.
0
На фиг. 3 показано изменение мощности на чувствительном элементе, расположенном в координате Х, при источнике электромагнитного излучения с дрейфом мощности.
На фиг. 4 показано согласованное изменение мощности в опорном и измеряющем плечах при источнике электромагнитного излучения с дрейфом мощности.
1
1
2
1
2
2
3
Волоконно-оптическое устройство измерения показателя преломления (фиг. 1) содержит источник 1 электромагнитного излучения, соединенный с первым Y- разветвителем (Y) 2 излучения, делящим излучение на опорное и, хотя бы одно измеряющее волоконно-оптические плечи. В измеряющем плече расположен, по меньшей мере, один чувствительный элемент 3. Чувствительный элемент 3 представляет собой участок волоконного световода и выполнен в виде объемной спирали световода, уложенной виток к витку на внешней поверхности цилиндрической оправы-корпуса. Чувствительный элемент 3 выполнен с возможностью изменения чувствительности посредством выбора рабочей длины волны. Источник 1 электромагнитного излучения выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны. Устройство содержит поляризаторы (P, Р) 4, 5, поляризующие свет во взаимоперпендикулярных направлениях, и анализаторы (А, А) 6, 7, отделяющие излучение опорного плеча от измеряющего. Входы поляризаторов 4, 5 соединены с опорным и измеряющим волоконно-оптическими плечами, а выходы поляризаторов 4, 5 соединены через второй разветвитель (Y) 8 со специальным волокном 9, сохраняющим поляризацию. Специальное волокно 9 соединено с третьим разветвителем (Y) 10. Третий разветвитель 10 соединен с анализаторами 6, 7, отделяющими излучение опорного плеча от измеряющего. Анализаторы 6, 7 соединены, по меньшей мере, с двумя фотоприемниками 11, 12, подключенными к блоку обработки информации 13. В качестве специального световода 9 может быть использован световод с малым двулучепреломлением. В качестве специального световода 9 может быть использован световод типа PANDA.
Устройство работает следующим образом.
Излучение от источника 1 направляется через оптическое волокно в первый Y-разветвитель 2. При погружении чувствительного элемента 3 в исследуемую среду часть излучения покидает световод по причине нарушения полного внутреннего отражения, что приводит к уменьшению интенсивности светового пучка (фиг. 2). Свет, прошедший через чувствительный элемент 3 попадает на поляризатор 4, затем через второй Y-разветвитель 8 проходит в специальное волокно 9, вместе с перпендикулярно поляризованной опорной волной. После прохождения через специальное волокно 9 с малым двулучепреломлением лучи разделяются с помощью третьего Y-разветвителя 10 и попадают на анализаторы измеряющего 6 и опорного 7 излучений, направленные аналогично поляризациям соответствующих волн и далее на фотоприемники 11, 12. Блок обработки данных 13 получает информацию с фотоприемников 11 и 12 и преобразует данные об интенсивности света в показатель преломления исследуемого вещества.
Возможный дрейф мощности источника излучения 1 может привести к ошибкам измерения показателя преломления, поскольку выходной сигнал с чувствительного элемента 3 пропорционален как потерям, вызванным нарушением закона полного внутреннего отражения, на которых основывается принцип работы чувствительного элемента, так и входящей мощности (фиг. 2, 3). Для устранения негативного влияния возможного дрейфа мощности источника излучения в устройство измерения введено опорное плечо, по показаниям измерителя мощности (фотоприемника) с которого можно определить его текущую мощность (фиг. 4) и учесть это при интерпретации показаний с измеряющего плеча.
Преимущество заявляемой полезной модели состоит в том, что она позволяет производить непрерывное измерение показателя преломления исследуемого вещества с высокой точностью, исключая ошибки измерения, связанные с дрейфом мощности источника излучения, и расширить арсенал технических средств измерения показателя преломления жидкостей, газов, коллоидных растворов и других подобных веществ.