ОПТИЧЕСКИЙ ЗОНД

Полезная модель относится к технике передачи оптических сигналов, в частности, к элементам волоконно-оптических линий связи, работающим под высоким давлением. Так же заявляемую полезную модель можно отнести к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентраций газов или жидкостей, в том числе при очень высоких давлениях (тысячи атмосфер), и может быть использована в химической, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности.
Известен оптический зонд фирмы «Avantes» (http://www.avantes.ru/pdf/5%20Fiber%200ptics.pdf, стр.114), выбранный в качестве аналога. Зонд содержит корпус из нержавеющей стали, который представляет собой цилиндр диаметром 6,35 мм и длиной 50 мм. В корпусе выполнены отверстия, в которых располагаются семь оптических волокон, шесть из них предназначены для ввода оптического излучения в исследуемый объем, и седьмое оптическое волокно предназначено для вывода излучения из исследуемого объема. Свободные концы оптических волокон заканчиваются оптическими разъемами для подключения к источнику излучения и анализатору. Аналог предназначен для разнообразных спектроскопических исследований жидких и газообразных сред. Недостатками аналога является предельное давление исследуемой среды равное 50 атм.
В качестве прототипа выбран оптический зонд (см. сайт http://oceanoptics.ru/probes/115-t2000-html), содержащий корпус со сквозным отверстием, в котором установлено два оптических волокна и герметизирующий элемент в виде клеевого соединения, установленный между волокном и корпусом. На свободных концах оптических волокон установлены оптические разъемы для подсоединения к источнику излучения и анализатору, а концы волокон, предназначенные для контакта с исследуемой средой, не выходят за пределы корпуса. Корпус оптического зонда выполнен из нержавеющей стали в виде гладкого цилиндра диаметром 6,35 мм и длиной 127 мм и не имеет радиуса изгиба.
Недостатком прототипа является невозможность использования его при давлениях среды выше 7 атм, что обусловлено особенностями герметизирующего элемента. Расположение двух оптических волокон в одном корпусе создает большой свободный объем, заполняемый герметизирующим элементом, что отрицательно сказывается на прочности герметичного соединения. Кроме того, с помощью указанного зонда невозможно проводить спектроскопические исследования среды в объемах сложной формы (имеющих радиус изгиба), т.к. концы волокон не выходят за пределы корпуса. Форма корпуса оптического зонда не позволяет осуществить надежное соединение с исследуемым объемом при работе с высоким давлением.
Задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей зонда, заключающееся в повышении предельного давления исследуемой среды (газа или жидкости).
При использовании полезной модели достигается следующий технический результат:
- возможность исследования параметров среды (газа или жидкости), находящейся под давлением до 4000 атм, за счет повышения надежности герметизации оптического волокна в корпусе;
- повышение точности и чувствительности определения параметров исследуемой среды за счет возможности герметизации нескольких оптических волокон в одном корпусе; таким образом, для получения полезного сигнала может использоваться больше одного оптического волокна;
- заявляемый зонд может применяться для исследования среды в емкостях различной формы и размера, т.к. при изготовлении зонда существует возможность варьировать расстояние, на которое выходят концы оптических волокон за пределы корпуса в объем с исследуемым веществом;
- простота конструкции оптического зонда.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется оптический зонд, содержащий корпус со сквозным отверстием, оптические волокна и герметизирующий элемент в виде клеевого соединения, на концах волокон, расположенных с одной стороны корпуса, установлены оптические разъемы, в котором, согласно заявляемой полезной модели, в корпусе выполнены, по крайней мере, два сквозных отверстия, в каждом из которых расположено оптическое волокно и герметизирующий элемент, свободные концы оптических волокон выведены за пределы корпуса и спаяны между собой, по крайней мере, по части боковой поверхности, а на внешней поверхности корпуса выполнены элементы для установки оптического зонда в емкость с исследуемым веществом.
Торцы спаянных волокон заполированы, что помогает избежать потерь полезного сигнала в результате отражения и рассеяния излучения на торце оптического волокна, и приводит к повышению чувствительности проводимых измерений.
Конструкция зонда позволяет герметизировать несколько оптических волокон в одном корпусе (за счет выполнения в корпусе, по крайней мере, двух сквозных отверстий), в результате чего становится возможным использовать для получения полезного сигнала более одного оптического волокна, что приводит к увеличению интенсивности полезного сигнала и, соответственно, к повышению точности и чувствительности проводимых измерений. Соединение волокон пайкой по части боковой поверхности также положительно влияет на точность и чувствительность измерений. Расположение каждого оптического волокна в отдельном отверстии позволяет уменьшить свободный объем, заполняемый герметизирующим элементом, и площадь контактной поверхности герметизирующего элемента. Это приводит к уменьшению нагрузки на герметизирующий элемент, что позволяет применять его при более высоких давлениях исследуемой среды. Эксперименты показали работоспособность оптического зонда при давлениях до 4000 атм.
При изготовлении зонда существует возможность варьировать расстояния выхода оптических волокон за пределы корпуса, таким образом можно проводить исследования в определенной локальной области исследуемого объема. При этом можно проводить спектроскопические исследования в объемах сложной формы, в том числе, имеющих радиус изгиба, поскольку оптические волокна имеют радиус изгиба до 20 мм и легко могут повторять форму исследуемого сложного объема.
За счет выполнения силовых элементов на корпусе оптического зонда, предназначенных для стыковки с исследуемой емкостью, и использования высокопрочного клеевого соединения в качестве герметизирующего элемента, становится возможным проводить исследования газа или жидкости при давлениях до 4000 атм.
На фиг.1 показано схематическое изображение заявляемого оптического зонда.
Оптический зонд состоит из корпуса 1, на котором присутствуют элементы крепления 2 корпуса к исследуемой емкости (не показана). В корпусе 1 выполнено два сквозных отверстия 3, в которых установлено оптическое волокно 4. Оптическое волокно 4 установлено на клеевом соединении (область клеевого соединения обозначена цифрой 5). Концы оптических волокон 4 выходят за пределы корпуса 1 в исследуемую среду на определенное расстояние и спаяны между собой боковыми поверхностями (место пайки обозначено цифрой 6). На противоположных концах оптических волокон 4 установлены разъемы 7 для соединения с источником излучения и анализатором (не показаны).
Предлагаемый оптический зонд работает следующим образом. Корпус 1 зонда с помощью элементов крепления 2 монтируется в емкость с исследуемым веществом. По одному из оптических волокон в исследуемый объем передается оптическое излучение. Излучение, генерируемое молекулами среды, попадает на второе оптическое волокно и передается на анализатор.
Изготовлен опытный образец заявляемого устройства. Корпус оптического зонда выполнен из нержавеющей стали. В отверстия корпуса вклеено оптическое волокно (2 шт) с напыленным алюминиевым покрытием, диаметр волокна 600 мкм. Согласно результатам на прочность и герметичность, клеевое соединение волокна с корпусом осталось герметичным при давлении водорода 4000 атм. С помощью заявляемого оптического зонда были получены спектры комбинационного рассеяния водорода при давлениях до 4000 атм.
Отметим здесь некоторые характерные особенности заявляемой полезной модели:
- простота и надежность конструкции;
- возможность герметизации множества оптических волокон в одном корпусе;
- предложенный оптический зонд может быть применим для широкого спектра исследований, в том числе при высоких давлениях, где требуется ввод и/или вывод оптического излучения в объем с исследуемым веществом, например, для передачи оптических сигналов в гермокамерах, или для спектроскопических исследований.