УСТРОЙСТВО ТЕМПЕРАТУРНОЙ КАЛИБРОВКИ, СПОСОБЫ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КАЛИБРОВКИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ОПТОВОЛОКОННОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ДАТЧИКА
DEVICE FOR TEMPERATURE CALIBRATION METHODS TEMPERATURE CALIBRATION AND POSITIONING OF FIBRE-OPTIC TEMPERATURE SENSOR

Область техники
Изобретение относится к области измерения температуры при помощи оптического волокна и к способам калибровки по температуре и по расстоянию, применяемым во время таких измерений.
Контроль и мониторинг объектов гражданского строительства требуют отслеживания такого важного параметра, как температура и ее отклонения, чтобы:
1. анализировать поведение объектов безотносительно к термическим флуктуациям окружающей среды;
2. и обнаруживать анахронические явления, такие как горячие точки или утечки текучей среды на больших гидротехнических объектах, таких как дамбы и плотины гидроэлектростанций, или на объектах утилитарного назначения, таких как здания для складирования и изоляции отходов, автомагистрали или некоторые туннели.
Эти объекты требует применения способов отслеживания при помощи температурных измерений, которые должны быть адаптированными, надежными с точки зрения метрологии, выверенными при применении системы тревожной сигнализации и имеющих достаточное разрешение по расстоянию, чтобы обеспечивать автоматические измерения через равномерные интервалы на всем объекте.
Такой способ необходим также для мониторинга систем отбора и распределения энергии, таких как бурильные трубы, трубопроводы, городские магистрали водоснабжения или теплоснабжения и системы отбора энергии в геотермальных установках.
Учитывая большие расстояния, которые могут превышать несколько десятков километров, и недоступность некоторых контролируемых зон, как известно, применяют способы измерения температуры с использованием оптоволоконных температурных датчиков. Действительно, в зависимости от применяемой методики, такой оптоволоконный температурный датчик позволяет осуществлять измерения температуры регулярно вдоль оптического волокна на расстояниях, превышающих десяток километров.
При всех методах измерения температуры при помощи оптического волокна измерение температуры является относительным. Поэтому во время установки и в течение всего периода эксплуатации оптоволоконного температурного датчика может возникать необходимость в температурной калибровке такого датчика. Действительно, такая калибровка позволяет проверить нормальную работу и/или оценить отклонение температурных показаний датчика.
В данном случае и в дальнейшем тексте описания под абсолютным измерением температуры и под относительны измерением температуры следует понимать соответственно термодинамическое измерение температуры, в котором не участвует разность температуры и которое выражается в любой единице температуры, и измерение разности температуры, которой может быть разность относительно контрольной температуры или относительно изменения температуры во времени.
В частности, изобретение относится к устройству температурной калибровки оптоволоконного температурного датчика, к способу калибровки по температуре и к способу калибровки по расстоянию оптоволоконного температурного датчика.
Уровень техники
Существуют различные типы оптоволоконных температурных датчиков, при этом, как правило, тип температурного датчика определяют по искомым характеристикам термических измерений, таким как пространственное и термометрическое разрешение, по расстояниям, на которых необходимо осуществлять мониторинг температуры, или по возможностям отслеживания других параметров, таких как деформации контролируемого объекта.
Так, измерение температуры можно осуществлять при помощи так называемых «точечных» оптоволоконных датчиков типа решеток Брэгга, как фотометрических (более известных под английским акронимом FBG от Fiber Bragg Grating), так и геометрических (более известных под английским акронимом LPG от Long Period Fiber Grating), которые устанавливают в местах, где необходимо измерять температуру, или посредством использования одного из нелинейных явлений обратного рассеяния света, которые могут происходить вдоль волокна, а именно явлений обратного рассеяния Рэлея, Бриллюэна и Рамана.
Независимо от типа используемого оптоволоконного датчика, поскольку оптическое волокно датчика предназначено для эксплуатации на объекте в течение времени, намного превышающего десяток лет, в оптоволоконных датчиках могут возникать проблемы дрейфа температурных измерений во времени. Такой дрейф нельзя игнорировать, поэтому требуется производить регулярную калибровку оптоволоконного датчика. Кроме того, измерения при помощи такого датчика зависят от используемых устройств, таких как лазер и фотодетектор, замена которых, например, вследствие поломки, может привести к появлению систематической погрешности при измерении температуры.
Для решения этих различных проблем были разработаны различные методы температурной калибровки оптоволоконного датчика.
Первый метод, описанный в патенте US 7529434 и в международной заявке WO 2010/036360, заключается в комбинировании различных типов измерений на одном и том же оптическом волокне для калибровки оптоволоконного температурного датчика. Как описано в документе US 7529434, можно комбинировать измерение температуры с использованием явления обратного рассеяния Рамана и явления обратного рассеяния Бриллюэна. Можно также комбинировать измерения, в которых используют одно и то же явление обратного рассеяния, например, явление рамановского обратного рассеяния, как описано в документе WO 2010/036360, от двух источников света с разной длиной волны. За счет использования самого по себе оптического волокна для калибровки эта методика позволяет осуществлять температурную калибровку в любом месте оптического волокна.
Однако если даже комбинирование двух методов измерения температуры вдоль оптического волокна оптоволоконного температурного датчика и позволяет уменьшить проблемы дрейфа, свойственные этим технологиям, необходимо коррелировать эти измерения одновременно в пространстве и по температуре. Эта двойная корреляция приводит к погрешности измерения температуры. Кроме того, эти технологии ограничены тем, что данные измерения представляют собой относительное измерение температуры, и не позволяют получать абсолютное измерение температуры.
Второй метод, описанный в патенте GB 2407637, состоит в установке через равномерные промежутки вспомогательных температурных датчиков, выполненных с возможностью абсолютного измерения температуры, при этом калибровку оптического волокна осуществляют по температуре, измеряемой вспомогательным датчиком.
Хотя такие температурные датчики позволяют получить точку отсчета для температурной калибровки оптического волокна, они тоже могут иметь термический дрейф и, следовательно, характеризоваться ограниченной способностью воспроизведения в том, что касается температурной калибровки. Кроме того, такие вспомогательные датчики не позволяют калибровать оптическое волокно на разных температурах, и эту калибровку приходиться осуществлять по температуре оптического волокна на момент калибровки.
Третий метод, вытекающий из второго, состоит, как описано в патентной заявке CN 101387562, в объединении, - в виде калибровочного устройства, - вспомогательного датчика с системой передачи тепловой энергии, такой как система нагрева и/или система охлаждения. Такое калибровочное устройство содержит корпус, имеющий проход для оптического волокна, систему передачи тепловой энергии на оптическое волокно, объединенную со средством регулирования температуры этой системы передачи тепловой энергии, и вспомогательный датчик. Система передачи термически связана с оптическим волокном, и вспомогательный датчик расположен в корпусе таким образом, чтобы измерять температуру на уровне оптического волокна вблизи системы теплообмена.
Таким образом, оптическое волокно имеет часть, расположенную в проходе корпуса устройства, и во время калибровки датчика систему теплообмена используют для регулирования по заранее определенной температуре. Часть оптического волокна доводят до заранее определенной температуры, и измерение температуры при помощи оптоволоконного датчика позволяет произвести калибровку.
Однако, несмотря на то, что такой метод позволяет производить калибровку при любой температуре, остается проблема ее стабильности во времени. Действительно, средства передачи тепловой энергии и вспомогательный датчик могут иметь дрейф во времени и, следовательно, порождать погрешность калибровки оптоволоконного датчика.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка.
Таким образом, изобретение призвано предложить устройство температурной калибровки оптоволоконного температурного датчика, которое обеспечивает температурную калибровку оптоволоконного температурного датчика на месте и которое обеспечивает абсолютную калибровку по температуре, причем с возможностью воспроизведения и в течение длительного срока, который может превышать десяток лет.
В связи с этим объектом изобретения является устройство температурной калибровки оптоволоконного температурного датчика, предназначенное для оборудования оптического волокна оптоволоконного температурного датчика, при этом указанное устройство содержит:
- корпус устройства, содержащий проход для оптического волокна, и
- средство передачи тепловой энергии,
при этом устройство содержит, по меньшей мере, один участок, называемый первой неподвижной точкой, выполненный из первого материала, имеющего, по меньшей мере, первую заранее определенную температуру изменения состояния, при этом указанная первая неподвижная точка оказывается термически связанной с оптическим волокном, когда устройством оборудуют оптическое волокно, при этом средство теплопередачи расположено в корпусе устройства таким образом, чтобы во время своего приведения в действие средство теплопередачи обменивалось тепловой энергией с первой неподвижной точкой для изменения ее состояния при первой заранее определенной температуре.
В данном случае и в остальном тексте документа под изменением состояния неподвижной точки следует понимать изменение состояния материала указанной неподвижной точки.
В данном случае и в остальной тексте документа под изменением состояния материала следует понимать переход указанного материала из одного состояния в другое, такой как плавление, соответствующее переходу из твердого состояния в жидкое состояние, затвердевание, соответствующее переходу из жидкого состояния в твердое состояние, или сублимация, соответствующая переходу из твердого состояния в газообразное состояние.
Благодаря наличию прохода, таким устройством можно оборудовать оптическое волокно как в процессе изготовления во время калибровки оптического волокна до его установки на место, так и на месте, когда оптическим волокном оборудуют предназначенный для мониторинга объект или оборудование. Это устройство обеспечивает также калибровку при заранее определенной температуре, причем с хорошим разрешением, поскольку эта температура соответствует изменению состояния первой неподвижной точки, и долговременно, поскольку заранее определенная температура зависит только от состава материала неподвижной точки. Таким образом, при помощи такого устройства можно калибровать по температуре оптоволоконный датчик, причем при контролируемой температуре, без риска дрейфа во времени и даже на период, превышающий десяток лет.
Первый материал может представлять собой один элемент или соединение из нескольких элементов, такое как сплав металлов.
Средство передачи тепловой энергии может представлять собой систему нагрева, например, нагревательное сопротивление, и/или систему охлаждения, например, модуль Пельтье.
Кроме того, можно дополнительно предусмотреть участок из теплопроводящего материала, при этом указанный участок располагают в корпусе устройства таким образом, чтобы обеспечивать термическую связь между первой неподвижной точкой и оптическим волокном, когда устройством оборудуют оптическое волокно.
Такой теплопроводящий материал позволяет получить тепловой мост между оптическим волокном, когда устройством оборудуют оптическое волокно оптоволоконного датчика, и таким образом можно связать часть оптического волокна большего размера, чем если бы неподвижная точка входила в прямой контакт с оптическим волокном.
Теплопроводящий материал может быть материалом, по меньшей мере, один из компонентов которого выбирают из группы, в которую входят медь, сплавы меди, такие как теллурид меди, алюминий и сплавы алюминия.
Такой проводящий материал обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет оптимизировать теплообмены между средством передачи тепловой энергии и оптическим волокном.
Участок из проводящего материала может иметь удлиненную форму, при этом проход является продольным проходом, выполненным в указанном участке из проводящего материала.
Таким образом, когда устройством оборудуют оптическое волокно, волокно располагают в проходе, и теплообмены через участок из проводящего материала могут происходить на всей площади участка оптического волокна, расположенного в указанном проходе.
Согласно варианту изобретения, проход может содержать систему бокового ввода, выполненную с возможностью обеспечения бокового ввода оптического волокна в проход, при этом система ввода дополнительно выполнена с возможностью удержания на месте оптического волокна после его ввода в проход.
Такая система ввода позволяет устанавливать устройство на волокне, уже находящееся на месте, при этом установку можно осуществить при помощи бокового ввода.
Кроме того, можно также предусмотреть средство измерения температуры, выполненное с возможностью измерения температуры участка из проводящего материала и/или первой неподвижной точки, при этом указанное средство измерения предпочтительно выполнено с возможностью абсолютного измерения температуры.
Такое устройство измерения температуры позволяет проверять нормальную работу калибровочного устройства, при этом, как правило, устройство предназначено для установки вместе с оптическим волокном в контролируемый объект с ограниченной доступностью.
Поскольку первая неподвижная точка должна находиться в термической связи с оптическим волокном на части оптического волокна, указанную термическую связь можно адаптировать таким образом, чтобы длина части оптического волокна, термически связанной с первой неподвижной точкой, превышала или была равна пространственному разрешению оптоволоконного температурного датчика.
Такая термическая связь первой неподвижной точки с оптическим волокном обеспечивает максимально возможную точность измерения температуры оптоволоконным температурным датчиком на уровне устройства во время его применения для калибровки температурного датчика за счет снижения влияния окружающей оптическое волокно среды вблизи места расположения устройства на оптическом волокне.
Средство передачи тепловой энергии может содержать средство регулирования тепловой энергии, выполненное с возможностью регулирования тепловой энергии, обмениваемой между средством передачи тепловой энергии и первой неподвижной точкой.
Такое средство регулирования тепловой энергии обеспечивает хорошо контролируемый теплообмен, ограничивая, таким образом, потребление энергии устройством во время его применения и максимально увеличивая время изменения состояния первой неподвижной точки, что позволяет оптимизировать стабилизацию температуры оптического волокна во время его калибровки.
Можно предусмотреть средства термической изоляции, при этом указанные средства термической изоляции выполнены с возможностью ограничения потерь тепла во время обмена тепловой энергией между средством передачи тепловой энергии и первой неподвижной точкой.
Такие средства изоляции уменьшают потери тепловой энергии во время применения устройства, ограничивая таким образом потребление энергии устройством и одновременно стабилизируя его температуру.
Можно также предусмотреть, по меньшей мере, один участок, называемый второй неподвижной точкой, выполненный из второго материала, имеющего, по меньшей мере, вторую заранее определенную температуру изменения состояния, отличную от первой заранее определенной температуры, при этом указанная вторая неподвижная точка должна находиться в термической связи с оптическим волокном, когда оптическое волокно оборудовано устройством, и средство теплопередачи расположено в корпусе устройства таким образом, чтобы во время приведения в действие средства теплопередачи оно обменивалось тепловой энергией с второй неподвижной точкой для изменения ее состояния при второй заранее определенной температуре.
Такой второй участок позволяет производить калибровку оптического волокна, по меньшей мере, по двум заранее определенным температурам, что позволяет получать максимально точное измерение температуры температурным датчиком при любой измеряемой температуре.
Корпус может быть герметично закрытым, когда устройством оборудуют оптическое волокно, и предпочтительно это герметичное закрывание получают при помощи уплотнительных прокладок, расположенных на входах прохода.
Согласно частному варианту применения, в соответствии с которым устройство выполнено для калибровки оптического волокна, предназначенного для работы в температурном диапазоне от 0 до 100°C, можно также предусмотреть, по меньшей мере, один участок, называемый третьей неподвижной точкой, выполненный из третьего материала, имеющего, по меньшей мере, третью заранее определенную температуру изменения состояния, отличную от первой и от второй заранее определенной температуры, при этом указанная третья неподвижная точка должна находиться в термической связи с оптическим волокном, когда оптическое волокно оборудовано устройством, и средство теплопередачи расположено в корпусе устройства таким образом, чтобы во время приведения в действие средства теплопередачи оно обменивалось тепловой энергией с третьей неподвижной точкой для изменения ее состояния при третьей заранее определенной температуре, при этом первый материал содержит 99,78 мас.% галлия и 0,22 мас.% висмута, второй материал содержит 49 мас.% висмута, 21 мас.% индия, 18 мас.% свинца и 12 мас.% олова и третий материал содержит 66,7% мас.% индия и 33,3 мас.% висмута.
Объектом изобретения является также способ температурной калибровки оптоволоконного температурного датчика, при этом в рамках указанного способа применяют устройство в соответствии с изобретением, содержащий следующие этапы:
- поставляют устройство в соответствии с изобретением,
- оптическое волокно оптоволоконного датчика оборудуют устройством таким образом, чтобы оптическое волокно располагалось на проходе устройства,
- применяют средство передачи энергии устройства таким образом, чтобы вызвать изменение состояния первой неподвижной точки при первой заранее определенной температуре,
- применяют оптоволоконный датчик и обнаруживают изменение температуры в одном месте вдоль оптического волокна,
- выжидают стабилизацию температуры, измеряемой в месте оптического волокна и калибруют температуру, измеренную в этом месте, относительно первой заранее определенной температуры.
Такой способ позволяет калибровать оптоволоконный датчик по абсолютному измерению температуры, при этом температуру калибровки получают на основании температуры изменения первой неподвижной точки.
Дополнительно можно предусмотреть следующие этапы:
- останавливают или изменяют работу средства передачи энергии таким образом, чтобы остановить обмен или произвести инверсию обмена тепловой энергии с первой неподвижной точкой, причем эту остановку или эту инверсию осуществляют таким образом, чтобы первая неподвижная точка достигла температуры, соответствующей обратному изменению состояния и называемой температурой обратного состояния,
- выжидают рассеяния части энергии, обмененной между первой неподвижной точкой и средством передачи энергии, таким образом, чтобы началась инверсия изменения состояния первой неподвижной точки,
- выжидают стабилизации температуры, измеряемой в месте,
- корректируют калибровку температуры, измеренной в месте, на основании температуры обратного изменения состояния первой неподвижной точки.
Такие этапы позволяют лучше производить калибровку, поскольку калибровку оптоволоконного датчика осуществляют одновременно во время изменения состояния материала первой неподвижной точки и во время обратного изменения состояния этого материала.
Объектом изобретения является также способ калибровки оптоволоконного датчика по расстоянию, при этом в рамках указанного способа применяют устройство в соответствии с изобретением, содержащий следующие этапы:
- поставляют устройство в соответствии с изобретением,
- оптическое волокно оптоволоконного датчика оборудуют устройством таким образом, чтобы оптическое волокно располагалось вдоль прохода устройства, и это оборудование осуществляют в месте вдоль оптического волокна,
- предусматривают средство измерения расстояния места устройства относительно контрольного положения оптического волокна, причем это контрольное положение может быть получено по положению другого устройства в соответствии с изобретением или по положению конца оптического волокна,
- применяют средство передачи энергии устройства таким образом, чтобы вызвать изменение состояния первой неподвижной точки при первой заранее определенной температуре,
- применяют оптоволоконный датчик и обнаруживают положение изменения температуры в месте вдоль оптического волокна,
- производят калибровку оптоволоконного датчика по расстоянию таким образом, чтобы положение, измеренное датчиком, соответствовало положению, измеренному при помощи средства измерения расстояния.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более очевидно из описания не ограничительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - устройство калибровки в соответствии с изобретением, которым оборудовано оптическое волокно оптоволоконного температурного датчика;
фиг. 2 - пример изменения температуры, создаваемой при помощи системы нагрева устройства, и температуры, измеряемой на уровне одной из неподвижных точек;
фиг. 3 - пример установки, содержащей несколько устройств в соответствии с изобретением, применяемых во время калибровки по расстоянию оптоволоконного температурного датчика;
фиг. 4 - схематичный вид варианта изобретения, в котором устройство имеет систему бокового ввода.
Идентичные, подобные или эквивалентные части на разных фигурах имеют одинаковые цифровые обозначения для облегчения перехода от одной фигуры к другой.
Различные возможности (версии и варианты выполнения) следует понимать как не исключающие друг друга и не исключающие комбинаций друг с другом.
Подробное описание частных вариантов выполнения
На фиг. 1 показано устройство 100 температурной калибровки оптоволоконного датчика, которым оборудовано оптическое волокно 10 оптоволоконного датчика, представленного только своим оптическим волокном 10.
Устройством 100 можно оборудовать любой оптоволоконный датчик, независимо от применяемой методики измерения температуры. Так, оптоволоконный датчик может быть оптоволоконным датчиком, в котором используют решетки Брэгга (FBG и LPG), или оптоволоконным датчиком, в котором используют явления обратного рассеяния, такие как обратное рассеяние Рамана, Бриллюэна и Рэлея.
В случае оптоволоконного датчика с использованием не показанных решеток Брэгга устройство располагают на уровне одной из решеток Брэгга, находящихся в оптическом волокне 10.
Такое устройство 100 имеет корпус 101 устройства, содержащий:
- полость 127,
- блок 150 из теплопроводящего материала, ограничивающий три камеры 151a, b, c, при этом указанный блок 150 содержит трубку 152, ограничивающую канал 109 для оптического волокна 10 оптоволоконного датчика, - первый, второй и третий блоки 160a, b, c, называемые неподвижными точками и расположенные, каждый, в одной из камер 151a, b, c, при этом каждая из неподвижных точек 160a, b, c выполнена из материала, имеющего заранее определенную температуру изменения состояния, отличную от заранее определенной температуры изменения состояния двух других неподвижных точек 160a, b, c,
- двойную систему 140 нагревательных сопротивлений, расположенную вокруг блока 150 из проводящего материала,
- систему 105 соединения, выполненную с возможностью соединения устройства с не показанной внешней системой контроля.
Блок 150 проводящего материала и каждая из трех неподвижных точек 160a, b, c образуют участок корпуса 101 устройства.
Корпус 101 устройства содержит также наружный кожух ПО, имеющий общую форму цилиндра вращения с двумя выпуклыми основаниями цилиндра. Таким образом, корпус 101 устройства имеет осевую симметрию относительно оси вращения. Такая форма позволяет корпусу 101 устройства не иметь выступающих углов, что ограничивает напряжения, которыми устройство 100 могло бы действовать на окружающую среду оптического волокна 10 во время применения устройства 100, когда в устройстве 100 происходит расширение его корпуса 101 устройства.
В каждом из своих оснований кожух 110 имеет вход 111a, b для оптического волокна 10, при этом указанные входы 111 a, b выполнены на уровне пересечения между каждым из оснований и осью 106 вращения.
Для обеспечения теплового расширения корпуса 101 устройства без повреждения кожуха 110 кожух 110 может состоять, как показано на фиг. 1, из нескольких участков 112 кожуха, таких как цилиндрические участки, примыкающие друг к другу через компенсационные швы 113. Согласно этому варианту, участки 112 кожуха выполнены из металлического материала, такого как нержавеющая сталь.
Компенсационные швы 113 могут представлять собой ленту из упруго деформирующегося материала, например, из эластомеров, силикона, каучука, который может быть природным или синтетическим, или из металла.
Согласно другой возможности, при которой расширение остается контролируемым, кожух 110 может представлять собой простой металлический кожух без компенсационных швов. Как и в предыдущем варианте, металлический материал может быть, например, нержавеющей сталью.
Кожух 110 содержит первое соединительное отверстие 114 на своей боковой стенке для размещения системы 105 соединения.
Корпус содержит также усиления 121, 122a, b кожуха, позволяющие повысить жесткость корпуса 101 устройства, чтобы он мог выдерживать возможное давление в окружающей оптическое волокно 10 среде. Чтобы обеспечивать хорошую жесткость, усиления 121, 122a, b входят в контакт с кожухом 110, в котором они находятся.
Как показано на фиг. 1, усиления 121, 122a, b могут быть выполнены в количестве трех и могут представлять собой центральное усиление 121, ограничивающее полость 127, и два боковых усиления 122a, b.
Центральное усиление 121 имеет общую цилиндрическую форму и содержит тоже цилиндрическую выемку, образующую полость 127. На каждом из концов цилиндра на уровне его соответствующего основания боковая стенка цилиндра имеет резьбу для установки бокового усиления 122a, b.
Центральное усиление 121 содержит второе соединительное отверстие 123, соответствующее соединительному отверстию 114 кожуха ПО. Таким образом, систему 105 соединения вставляют в корпус, установленный в проеме, образованном первым и вторыми соединительными отверстиями 114, 123, сообщающимися с полостью 127.
Система 105 соединения расположена в корпусе 101 устройства таким образом, чтобы проем, образованный первым и вторым соединительными отверстиями 114, 123, был герметично закрытым.
Каждое из оснований центрального усиления 121 имеет вход для оптического волокна 10 на уровне пересечения между соответствующим основанием и осью 106 вращения.
Каждое из боковых усилений 122a, b имеет общую форму полого уплощенного цилиндра, одно основание которого выполнено выпуклым идентично основанию кожуха ПО, с которым связано указанное боковое усиление 122a, b, а другое основание является открытым. Внутренняя стенка каждого из боковых усилений 122a, b имеет резьбу, соответствующую резьбе центрального усиления 121. Таким образом, каждое из боковых усилений 122a, b завинчено на центральном усилении 121.
Корпус 101 устройства содержит также две уплотнительные прокладки 108a, b для герметизации корпуса 101 устройства, когда оптическое волокно 10 оборудуют устройством 100, при этом каждая уплотнительная прокладка 108a, b соответствует входу центрального усиления 121 и входу бокового усиления 122a, b, которое завинчивают на уровне основания, соответствующего указанному входу центрального усиления 121. Каждая из уплотнительных прокладок 108a, b оказывается сжатой в корпусе 101 устройства между основанием центрального усиления 121, содержащим вход, соответствующий указанной уплотнительной прокладке 108a, b, и соответствующим боковым усилением 122a, b. Таким образом, полость 127 оказывается герметичной, как показано на фиг. 1, когда оптическое волокно 10 оборудовано устройством 100.
Чтобы ограничить тепловые потери во время применения двойной системы 140 нагревательных сопротивлений, полость 127 может содержать, как показано на фиг. 1, отражающие экраны 125, 126a, b. Такие отражающие экраны 125, 126a, b позволяют отражать и направлять в направлении полости 127 часть тепловой энергии, излучаемой двойной системой 140 нагревательных сопротивлений, которая не направлена к блоку 150 проводящего материала.
Отражающие экраны 125, 126a, b могут быть выполнены в количестве трех и включать в себя центральный экран 125, покрывающий боковую сторону внутренней стенки полости 127, и два боковых экрана 126a, b, каждый из которых покрывает поверхность одного из двух оснований полости 127. Два боковых экрана 126a, b содержат, каждый, проходное отверстие для трубки 152, при этом указанное отверстие расположено на уровне пересечения указанного бокового экрана 126a, b с осью 106 вращения.
Центральный экран 125 содержит третье соединительное отверстие для соединений 105a между системой 114 соединения и двойной системой 140 нагревательных сопротивлений.
Все отражающие экраны 125, 126a, b образуют средства термической изоляции, выполненные с возможностью ограничения тепловых потерь во время обмена тепловой энергией между двойной системой 140 нагревательных сопротивлений и блоком 150 проводящего материала.
Двойная система 140 нагревательных сопротивлений представляет собой комплекс из двух нагревательных сопротивлений 141 и механизма 142 регулирования мощности указанных нагревательных сопротивлений 141. Механизм 142 регулирования представляет собой средство регулирования тепловой энергии, обмениваемой между нагревательными сопротивлениями 141 и тремя неподвижными точками 160a, b, c.
Двойная система 140 нагревательных сопротивлений расположена вокруг блока 150 проводящего материала таким образом, чтобы при использовании двойной системы 140 нагревательных сопротивлений она обменивалась тепловой энергией с каждой из неподвижных точек 160a, b, c через блок 150 проводящего материала.
Таким образом, двойная система 140 нагревательных сопротивлений образует средство передачи тепловой энергии.
Блок 150 проводящего материала имеет общую форму по существу в виде цилиндра вращения с проходом 109, выполненным для оптического волокна 10, в виде трубки 152 вдоль его оси 106 вращения.
Трубка 152 имеет по существу трубчатую форму. Трубка 52 имеет внутренний диаметр, по существу равный наружному диаметру оптического волокна 10, чтобы оптимизировать теплообмены между трубкой 152 и оптическим волокном 10.
Трубка 152 продолжает остальную часть блока 150 проводящего материала с двух сторон до проходного отверстия центрального усиления 121.
Трубка 152 входит в термический контакт с оптическим волокном 10. Длина трубки 152 покрывает часть оптического волокна 10 для термического соединения части оптического волокна 10 с неподвижными точками 160a, b, c.Для обеспечения качественной калибровки предпочтительно длину трубки 152 определяют таким образом, чтобы длина части оптического волокна 10, закрываемой трубкой 152, превышала пространственное разрешение оптоволоконного датчика. Таким образом, согласно этому принципу, в случае оптоволоконного датчика с использованием явления обратного рассеяния Рэлея, длина трубки должна превышать 3 м, тогда как в случае датчика с использованием явления обратного рассеяния Рамана, эта длина должна превышать 1 м.
Предпочтительно трубку 152 выполняют из такого же материала, что и материал остальной части блока 150 проводящего материала, однако ее можно выполнять также из другого материала, не выходя за рамки изобретения.
Хотя на фиг. 1 показано, что трубка 152 и остальная часть блока 150 из проводящего материала являются отдельными элементами, блок 150 из проводящего материала может быть монолитным, оставаясь при этом в рамках изобретения.
Три камеры 151a, b, c распределены вдоль проводящего блока 150 вблизи трубки 152, при этом каждая из камер 151a, b, c содержит одну из первой, второй и третьей неподвижных точек 160a, b, c.
Материалы каждой из неподвижных точек 160a, b, c выбирают в зависимости от рабочих температур оптоволоконного датчика. В нижеследующей таблице представлены существующие эталонные материалы, которые можно использовать в качестве неподвижных точек, а также их соответствующие температуры изменения состояния.
Таблица 1
Эталонные материалы и соответствующая температура изменения состояния
Материал
Температура изменения состояния в градусах Цельсия
Аргон
-189,3442
Ртуть
-38,8344
Вода
+0,01
Галлий
+29,7646
Индий
+156,5985
Олово
+231,928
Цинк
+419,527
Алюминий
+660,323
Серебро
+961,78
Согласно частному варианту применения, в котором устройство выполнено для оснащения оптоволоконного датчика, предназначенного для работы в температурном диапазоне от 0 до 100°C, необходимо использовать материалы, температура изменения состояния которых находится в пределах этого диапазона. В таблице 1 этому критерию соответствует только галлий.
Таким образом, согласно этому частному варианту, если устройство 100 оснащено несколькими неподвижными точками 160a, b, c, некоторые из этих неподвижных точек 160a, b, c выполнены из сплавов нескольких элементов. Например, такое устройство 100, содержащее три неподвижные точки 160a, b, c, может содержать следующие неподвижные точки:
- первую неподвижную точку 160a, содержащую материал, который состоит на 99,78 мас.% из галлия и на 0,22 мас.% из висмута и для которого первая заранее определенная температура Tpd1 изменения состояния равна 29,7°,
- вторую неподвижную точку 160b, содержащую материал, который состоит на 49 мас.% из висмута, на 21 мас.% из индия, на 18 мас.% из свинца и на 12 мас.% из олова и для которого вторая заранее определенная температура Tpd2 изменения состояния равна 58°,
- третью неподвижную точку 160c, содержащую материал, который состоит на 66,7 мас.% из индия и на 33,3 мас.% из висмута и для которого третья заранее определенная температура изменения состояния равна 72,7°.
Разумеется, устройство 100, выполненное для калибровки оптического волокна 10, предназначенного для работы в другом температурном диапазоне, содержит неподвижные точки, адаптированные для указанного температурного диапазона и не ограничивающиеся значениями, указанными выше и представленными в таблице 1.
Каждая из камер 151a, b, c дополнительно содержит температурный зонд 161a, b, c, выполненный с возможностью измерения температуры соответствующей неподвижной точки 160a, b, c.Предпочтительно каждый из температурных зондов 161a, b, c является зондом, осуществляющим абсолютное измерение температуры.
Каждый температурный зонд 161a, b, c может быть, например, зондом-пластинкой, термопарой, температурным датчиком типа вибрирующей струны или любой другой известной специалисту системой измерения, которую можно применять для измерения температуры неподвижной точки 160a, b, c и/или блока 150 проводящего материала.
Каждый температурный зонд 161a, b, c образует средство измерения температуры, выполненное с возможностью измерения температуры неподвижной точки 160a, b, c.
Каждый температурный зонд 161a, b, c, каждое нагревательное сопротивление 141 и механизм 142 регулирования подключены к системе соединения при помощи соединителя 105a.
Таким устройством 100 можно оборудовать оптическое волокно 10 для обеспечения калибровки оптоволоконного датчика.
Предпочтительно установку устройства 100 на оптическое волокно 10 согласно этому варианту выполнения устройства 100 осуществляют во время установки оптического волокна 10. Действительно, чтобы установить устройство 100, необходимо ввести оптическое волокно 10 в проход 109, что требует доступа, по меньшей мере, к длине оптического волокна 10, проходящей от одного из концов оптического волокна 10 до места расположения устройства 100 на оптическом волокне 10.
Вместе с тем, устройство 100 можно также устанавливать на уже установленном оптическом волокне 10. Такую установку можно осуществлять при наличии доступа только к предназначенной для оборудования зоне оптического волокна 10.
Такое устройство можно применять во время калибровки оптоволоконного датчика при помощи способа, который при использовании только первой неподвижной точки 160a, соответствующей самой низкой заранее определенной температуре, содержит следующие этапы:
- применяют двойную систему 140 нагревательных сопротивлений, при этом механизмом 142 регулирования управляют таким образом, чтобы создать температуру, достаточную для изменения состояния первой неподвижной точки 160a при первой заранее определенной температуре,
- применяют оптоволоконный датчик и обнаруживают изменение температуры в месте вдоль оптического волокна 10, при этом указанное место должно соответствовать месту устройства 100,
- выжидают стабилизацию температуры, измеряемой в месте оптического волокна 10, и регистрируют температуру, измеренную в этом месте,
- выжидают, чтобы температура, измеряемая в месте оптического волокна 10, опять начала повышаться, что свидетельствует о полном изменении состояния первой неподвижной точки 160a,
- при помощи механизма 142 регулирования уменьшают мощность, выдаваемую двойной системой 140 нагревательных сопротивлений,
- выжидают понижения температуры, измеряемой в месте оптического волокна 10, и выжидают последующую за этим стабилизацию, причем эта стабилизация соответствует обратному изменению состояния первой неподвижной точки 160a, и регистрируют соответствующую температуру,
- используют температуры, измеренные во время изменения состояния и во время обратного изменения состояния, чтобы калибровать измерения температуры, получаемые при помощи оптоволоконного датчика.
Во время осуществления этого способа, чтобы сообщать оптическому волокну 10 заранее определенную температуру в течение большого периода времени и ограничивать, таким образом, риск того, что термическая стабилизация оптического волокна 10 не будет достигнута, механизм 142 регулирования можно выполнить таким образом, чтобы создавать температуру, слегка превышающую первую заранее определенную температуру.
Точно так же, во время понижения применяемой мощности механизм 142 регулирования можно выполнить таким образом, чтобы создавать температуру, слегка меньшую температуры обратного изменения состояния первой неподвижной точки 160a.
Под температурой, слегка превышающей или слегка меньшей контрольной температуры, следует понимать температуру, градиент которой с контрольной температурой равен примерно 0,1°C, предпочтительно меньше 0,1°C.
Способ только с одной неподвижной точкой 160a позволяет корректировать простое отклонение температуры. Однако можно обеспечивать лучшую калибровку при помощи аналогичного способа калибровки с использованием нескольких неподвижных точек.
Так, в случае устройства 100, содержащего три неподвижные точки 160a, b, c, устройство 100 можно применять, последовательно создавая при помощи механизма 142 регулирования, как показано на фиг. 2, температуры, слегка превышающие первую заранее определенную температуру Tpd1, затем вторую заранее определенную температуру Tpd2 и, наконец, третью заранее определенную температуру.
Таким образом, температура стабилизации в месте оптического волокна последовательно переходит к температуре изменения состояния первой неподвижной точки 160a, к температуре изменения состояния второй неподвижной точки 160b и к температуре изменения состояния третьей неподвижной точки 160c.
Так же, как и в случае способа, использующего только первую неподвижную точку 160a, можно управлять механизмом 142 регулирования таким образом, чтобы двойная система 140 нагревательных сопротивлений последовательно создавала во время охлаждения устройства 101 температуру, немного меньшую температуры обратного изменения состояния третьей неподвижной точки 160c, второй неподвижной точки 160b и первой неподвижной точки 160a.
Таким образом, температура стабилизации в месте оптического волокна 10 последовательно переходит к третьей температуре обратного изменения состояния третьей неподвижной точки 160c, ко второй температуре обратного изменения состояния Tin2 второй неподвижной точки 160b и к первой температуре обратного изменения состояния первой неподвижной точки 160a.
Поскольку измерение этих различных температуры осуществляют при помощи оптоволоконного датчика, можно калибровать оптоволоконный датчик посредством сравнения измеряемых температур с температурами изменения состояния различных неподвижных точек 160a, b, c.
На фиг. 2 представлен пример измерений температур T в течение времени t, получаемых при помощи способа калибровки с активацией двух неподвижных точек 160a, b, при этом пунктирная линия соответствует заданной температуре механизма 142 регулирования, а сплошные линии - температурам, измеряемым оптоволоконным датчиком в месте расположения устройства 100.
На фиг. 2 видно, что на первом этапе, обозначенном а), на котором двойная система 140 нагревательных сопротивлений не активирована, оптоволоконный датчик измеряет температурные колебания в месте устройства 100.
На этапе b) устройство 101 применяют с механизмом регулирования, запрограммированным таким образом, чтобы двойная система 140 нагревательных сопротивлений сообщала блоку 150 проводящего материала температуру T2, меньшую первой заранее определенной температуры Tpd1. При этом блок 140 проводящего материала доходит до температуры T2, что подтверждается измерением температуры оптоволоконным температурным датчиком.
На этапе c) механизм 142 регулирования программируют таким образом, чтобы двойная система 140 нагревательных сопротивлений сообщала блоку 150 проводящего материала температуру T3, превышающую первую заранее определенную температуру Tpd1 и меньшую второй заранее определенной температуры Tpd2. Таким образом, двойная система 140 нагревательных сопротивлений передает на первую неподвижную точку 160a достаточную тепловую энергию для изменения состояния при первой заранее определенной температуре Tpd1. Во время изменения состояния энергия, рассеиваемая при изменении состояния первой неподвижной точки 160a, поддерживает блок 150 из проводящего материала при первой заранее определенной температуре Tpd1, как показано на фиг. 2. Эту первую температуру, соответствующую стабилизации температуры в течение всего явления изменения состояния, измеряет оптоволоконный датчик. После завершения изменения состояния первой неподвижной точки 160a блок 150 из проводящего материала имеет температуру T3.
На этапе d) механизм регулирования программируют таким образом, чтобы двойная система 140 нагревательных сопротивлений сообщала блоку 150 проводящего материала температуру T4, превышающую вторую заранее определенную температуру Tpd2. В результате этого, аналогично этапу c), касающемуся первой неподвижной точки 160a, обнаруживают изменение состояния второй неподвижной точки 160b, соответствующее стабилизации температуры, измеряемой оптоволоконным датчиком, и оптоволоконный датчик измеряет соответствующую температуру.
После завершения изменения состояния второй неподвижной точки 160b на этапе e) механизм регулирования программируют таким образом, чтобы двойная система 140 нагревательных сопротивлений опять сообщала блоку 150 проводящего материала температуру T3, причем эта температура также ниже второй температуры обратного изменения состояния Tin2 второй неподвижной точки 160b. Вытекающее из этого понижение температуры блока 150 проводящего материала приводит к обратному изменению состояния второй неподвижной точки 160b, которая возвращается к своему первоначальному состоянию. Во время обратного изменения состояния энергия, выделяемая при изменении состояния второй неподвижной точки 160b, поддерживает блок 150 из проводящего материала при второй температуре обратного изменения состояния Tin2 второй неподвижной точки 160b, причем, как показано на фиг. 2, эта вторая температура Tin2 ниже второй заранее определенной температуры Tpd2.
Эту же процедуру применяют также на этапе f) с программированием механизма регулирования по температуре T2. Во время этого этапа первая неподвижная точка 160a возвращается в свое первоначальное состояние, проходя через обратное изменение состояния. Во время этого обратного изменения состояния первой неподвижной точки 160a проводящий блок 150 и, следовательно, оптическое волокно приходят к первой температуре обратного изменения состояния Tin1 первой неподвижной точки 160a.
После завершения обратного изменения состояния первой неподвижной точки 160a прекращают применять двойную систему 140 нагревательных сопротивлений. Температуры, измеряемые оптоволоконным датчиком при каждом из изменений состояния и при каждом из обратных изменений состояния, можно использовать для калибровки оптоволоконного датчика. Действительно, температуры Tpd1, Tpd2 изменений состояния и температуры Tin1, Tin2 обратных изменений состояния определяют во время изготовления устройства посредством выбора материалов для каждой из неподвижных точек 160a, b, c, и эти значения являются, таким образом, известными и неизменными характеристиками устройства 100.
Устройство 100 можно также применять в ходе способа калибровки по расстоянию оптоволоконного датчика. Как правило, такое применение осуществляют для калибровки расстояния между двумя устройствами 100, 100′ (см. фиг. 3) вдоль оптического волокна, поэтому необходимо предусматривать средства измерения расстояния между двумя устройствами 100, 100′, которые должны быть доступны на поверхности объекта без изменения места оптического волокна. Такие средства измерения 300, 300′ расстояния могут быть выполнены, например, для каждого из устройств 100, 100′ в виде маяка 301, 301′, неподвижно соединенного с кожухом 110 соответствующего устройства 100, 100′. Каждый маяк 301, 301′ выступает из поверхности объекта, когда устройством оборудуют оптическое волокно 10 оптоволоконного датчика, контролирующего указанный объект. Согласно этому примеру, каждый маяк 301, 301′ может содержать на своем выступающем конце отражающую призму 302, 302′, совместимую с тахеометром.
Таким образом, можно отслеживать на поверхности перемещение каждого устройства 100, 100′ относительно друг друга и/или относительно одного из концов оптического волокна, если эти концы тоже содержат средство 300, 300′ измерения расстояния.
Для калибровки расстояния между двумя устройствами 100, 100′, установленными вдоль оптического волокна 10, как показано на фиг. 3, такой способ содержит следующие этапы:
- применяют одновременно механизм 142 регулирования первого и второго устройств 100, 100′ таким образом, чтобы в каждом из них получить изменение состояния одной из их неподвижных точек 160a, b, c,
- применяют оптоволоконный температурный датчик и обнаруживают положение изменения температуры в местах вдоль оптического волокна 10, соответствующих первому и второму устройствам 100,100′,
- оптоволоконный датчик калибруют по расстоянию таким образом, чтобы расстояние между двумя устройствами 100, 100′, измеряемое оптоволоконным датчиком, соответствовало расстоянию, измеряемому при помощи средства 300, 300′ измерения расстояния.
Для дифференцирования первого устройства 100 от второго устройства 100′ можно применять механизм регулирования каждого из устройств 100, 100′ по температуре, соответствующей неподвижной точке 160a, b, c, отличной от неподвижной точки, применяемой другим устройством 100, 100′.
Можно также одновременно осуществлять способ калибровки по температуре и способ калибровки по расстоянию. Согласно этому варианту, оба устройства 100, 100′ применяют одновременно для калибровки по температуре, и обнаружение двух мест изменения температуры позволяет осуществить калибровку по расстоянию, а значения температуры, соответствующие каждому из изменений состояния неподвижных точек 160a, b, c, позволяют осуществить калибровку по температуре.
Согласно описанному выше варианту выполнения, устройство 100 необходимо устанавливать на оптическом волокне 10, вводя оптическое волокно в проход 109. Следовательно, для этого необходимо иметь доступ к волокну на одном из его концов в сторону места, в котором необходимо установить устройство 100, то есть устройство должно быть адаптировано для оборудования оптического волокна во время установки последнего на объекте.
Можно также оборудовать оптическое волокно 10 устройством 100, не имея доступа к одному из его двух концов, путем разрезания оптического волокна 10 вблизи места, предусмотренного на оптическом волокне 10, получая, таким образом, два участка оптического волокна 10, один из которых содержит место. Содержащий место участок оптического волокна 10 можно затем ввести в проход 109. После установки устройства 100 оба участка скрепляют посредством сварки, чтобы оптическое волокно 10 опять стало цельным.
Согласно варианту изобретения, схематично представленному на фиг. 4, проход 109 можно выполнить с возможностью последующего демонтажа устройства.
Согласно этому варианту, проход 109, выполненный в блоке 150 проводящего материала, расположен вдоль оси 106 вращения, называемой также продольной осью, по всей его длине, при этом предусмотрена первая щель продольного введения оптического волокна 10 для установления сообщения между проходом 109 и кожухом ПО. Кожух 110 выполнен с возможностью вращения вокруг усилений 121, 122a, b и вокруг оси вращения. Сам кожух 110 имеет вторую щель введения, поэтому можно совместить первую щель введения и вторую щель введения.
Таким образом, согласно этому варианту, устройство 100 позволяет установить оптическое волокно 10 через первую и вторую щели введения. Согласно этому варианту, поворот кожуха 110 позволяет закрыть путь введения, удерживая оптическое волокно 10 в проходе 109. Демонтаж оптического волокна 10 можно осуществить в обратном порядке.
Первая и вторая щели введения с монтажом при вращении кожуха 110 на усилениях 121, 122a, b образуют систему бокового ввода, выполненную с возможностью обеспечения бокового ввода оптического волокна 10 в проход 109.
Следует также отметить, что в описанном выше варианте выполнения проход 109 в устройстве 100 выполнен в виде трубки 152, проходящей сквозь блок 150 проводящего проходящего вокруг блока 150 проводящего материала, не выходя за рамки изобретения.
Точно так же, согласно другому, не показанному варианту изобретения, средство передачи тепловой энергии может быть выполнено в виде системы передачи энергии, отличной от системы 141 нагревательных сопротивлений, расположенной вокруг проводящего блока, например, такой как модуль Пельтье, система охлаждения или набор термических сопротивлений, встроенных в блок 150 проводящего материала.
Наконец, согласно другому не показанному варианту изобретения, вместо температурных зондов 161a, b, c, расположенных в каждой из камер 151a, b, c блока 150 проводящего материала, устройство 100 может содержать только один температурный зонд, расположенный в блоке 150 проводящего материала, для измерения температуры блока 150 проводящего материала, не выходя за рамки изобретения.