ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для непрерывного измерения температуры расплава металла в условиях промышленного производства, например, при расплавлении шихты жаропрочного никелевого сплава в тигле индукционной печи, при производстве деталей газотурбинных двигателей.
Особенностями процесса индукционного переплава жаропрочных никелевых сплавов является технический вакуум и наличие сильных высокочастотных электромагнитных полей, что делает недопустимым одновременный нагрев и применение стандартных электрических средств контроля температурного состояния.
Известно, что в настоящее время для этих целей применяются термопарные датчики и пирометры спектрального соотношения.
К недостаткам контроля температуры термопарными датчиками и пирометрами относятся чувствительность к электромагнитным помехам и наличие токоведущих проводников, в результате чего невозможно производить измерения в условиях действия высокочастотных магнитных полей во время работы индукционной печи. Также к недостаткам термопарных датчиков и пирометров относится невозможность получения пространственного распределения температуры металла.
Известен волоконно-оптический датчик температуры с чувствительным элементом, выполненным в виде капсулы, содержащей в себе внутрикапсульное сферическое зеркало (патент RU №2256890 от 20.07.2005).
Недостатком известного датчика является сложность изготовления и невозможность создания на его основе системы распределенного контроля температуры.
Известно устройство для измерения температуры в электромагнитных полях (заявка RU №2011139142 от 10.04.2013), выполненное в виде волоконного световода с записанной в нем волоконной решеткой Брэгга. Датчик проходит в капилляре, который в свою очередь помещен в защитную трубу, расположенную в наружной оболочке.
Наличие многослойной изоляции снижает чувствительность датчика, что в свою очередь приводит к снижению точности измерений при воздействии температур порядка 150-300°C. Поэтому такая конструкция является непригодной для измерения температуры в процессе переплава металла в тигле индукционной печи.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является волоконно-оптический датчик температуры, входящий в волоконно-оптический термометр, описанный в патенте RU №2491523 от 27.08.2013 г. Волоконно-оптический датчик выполнен в виде щупа, состоящего из волоконного световода с полиамидным покрытием и с записанной вблизи его торца волоконной решеткой Брэгга. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели - чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга.
Недостатком использования отдельных щупов в качестве чувствительного элемента при эксплуатации датчика в условиях вакуумной установки является необходимость использования более одного волоконного световода для получения распределенной системы датчиков температуры, что в свою очередь повышает стоимость реализации, делает проблематичным обеспечение герметичного соединения датчиков с регистрирующей системой на границе вакуумной установки по переплаву металла с внешней средой, что приводит к снижению надежности установки по переплаву металла в целом.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение надежности датчика, упрощение его конструкции и снижение стоимости при высокой точности измерения, обеспечение возможности измерения пространственного распределения температуры и непрерывного контроля температуры во время технологического процесса индукционной плавки металла.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный волоконно-оптический датчик температуры, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга, снабжен корпусом, представляющим собой электрокорундовый или шамотный тигель, причем внешняя стенка тигля выполнена либо гладкой, при этом световод расположен непосредственно на его внешней стенке, либо со спиралевидным каналом, внутри которого по всей длине расположен световод, при этом в световоде записано не менее двух спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга и световод закреплен в спиралевидном канале или на внешней стенке корпуса в некоторых точках без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии, причем точки крепления определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде, при этом волоконно-оптические решетки Брэгга расположены в вертикальной проекции на одной линии, образуя вертикальный массив, свободный конец световода имеет термоизоляцию до точки ввода его в корпус датчика и один конец датчика герметично соединен с системой измерения.
В частности, крепление световода внутри спиралевидного канала или на внешней стенке корпуса может осуществляться с помощью термостойкого силикатного клея.
В частности, вертикальные массивы волоконно-оптических решеток Брэгга могут располагаться в диаметрально противоположных частях корпуса датчика.
В частности, один конец, датчика может быть соединен с системой измерения посредством специального коннектора и герметичной розетки.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - корпус, представляющий собой электрокорундовый или шамотный тигель, внешняя стенка тигля выполнена либо гладкой либо со спиралевидным каналом; световод расположен непосредственно на гладкой внешней стенке тигля либо внутри спиралевидного канала по всей длине; в световоде записано не менее двух спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга; световод закреплен в спиралевидном канале или на внешней стенке корпуса в некоторых точках без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии; точки крепления определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде; волоконно-оптические решетки Брэгга расположены в вертикальной проекции на одной линии, образуя вертикальный массив; свободный конец световода имеет термоизоляцию до точки ввода его в корпус датчика; один конец датчика герметично соединен с системой измерения; световод закреплен внутри спиралевидного канала или непосредственно на внешней стенке корпуса с помощью термостойкого силикатного клея; вертикальные массивы волоконно-оптических решеток Брэгга расположены в диаметрально противоположных частях корпуса датчика; один конец датчика соединен с системой измерения посредством специального коннектора и герметичной розетки.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволят повысить надежность датчика, упростить его конструкцию и снизить стоимость при высокой точности измерения; обеспечат возможность измерения пространственного распределения температуры и непрерывный контроль температуры во время технологического процесса индукционной плавки металла.
На чертеже представлен общий вид датчика.
Волоконно-оптический датчик температуры (фиг.) содержит корпус 1, представляющий собой электрокорундовый или шамотный тигель. Внешняя стенка тигля выполнена либо гладкой, либо со спиралевидным каналом 2. Внутри спиралевидного канала 2 по всей длине или непосредственно на внешней гладкой стенке тигля (корпуса) расположен чувствительный элемент в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием. В световоде записаны две и более спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга. Запись волоконно-оптических решеток Брэгга должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечить возможность их фиксации на одной линии в вертикальной проекции, образуя вертикальный массив. Чувствительный элемент может быть выполнен в виде спектрально разнесенных решеток Брэгга, записанных в стандартном волоконном световоде типа SMF-28 с полиамидным покрытием или высокогерманатном волоконном световоде с полиамидным покрытием. Полиамидное покрытие световода позволит обеспечить стойкость к воздействию температур порядка 150-300°C. Свободный конец световода имеет термоизоляцию до точки ввода его в корпус 1 датчика. При этом один конец датчика 1 герметично соединен с системой измерения посредством специального коннектора и герметичной розетки. Световод закреплен в спиралевидном канале 2 или непосредственно на внешней стенке корпуса без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии в некоторых точках при помощи термостойкого клея. Крепление без предварительного натяжения и без деформаций при креплении в свободно подвешенном состоянии позволит минимизировать влияния механических напряжений на показания датчика. Точки крепления 3 определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде, при этом волоконно-оптические решетки Брэгга расположены в вертикальной проекции на одной линии, образуя вертикальный массив. Вертикальные массивы волоконно-оптических решеток Брэгга могут быть расположены в диаметрально противоположных частях корпуса датчика для получения горизонтального распределения температуры.
Устройство работает следующим образом.
Свет от системы измерения направляется через оптическое волокно непосредственно к датчику, и, отразившись от волоконно-оптических решеток Брэгга, возвращается в систему измерения. Спектр отражения волоконно-оптических решеток Брэгга зависит напрямую от температуры.
Преимущество полезной модели состоит в том, что она позволяет:
- повысить надежность датчика, упростить его конструкцию и снизить стоимость за счет использования одного волоконного световода;
- повысить точность измерения по сравнению с широко применяющимися в настоящее время термопарными датчиками за счет волоконно-оптических решеток Брэгга, имеющих чувствительность к температурному воздействию около 0,1 нм/°C.
- обеспечить возможность измерения пространственного распределения температуры за счет возможности спектрального и пространственного мультиплексирования волоконно-оптических решеток Брэгга;
- обеспечить непрерывный контроль температуры во время технологического процесса индукционной плавки металла.