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; по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде участка волоконного световода и соединенный с фотоприемником, входящим в блок обработки информации.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание высокоточного устройства измерения показателя преломления жидкостей, газов, коллоидных растворов и других подобных веществ, расширение арсенала технических средств.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом устройстве измерения показателя преломления, содержащем источник электромагнитного излучения, по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде участка волоконного световода и соединенный с фотоприемником, входящим в блок обработки информации, согласно полезной модели чувствительный элемент выполнен в виде объемной спирали световода, уложенной виток к витку на внешней поверхности цилиндрической оправы-корпуса, причем чувствительный элемент выполнен с возможностью изменения чувствительности посредством выбора рабочей длины волны и подключен к источнику электромагнитного излучения, выполненному с возможностью переключения рабочей длины волны.
В качестве волоконного световода может быть использован безоболочечный кварцевый волоконный световод.
В качестве волоконного световода может быть использован полимерный волоконный световод.
В качестве волоконного световода может быть использован одномодовый волоконный световод.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - 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 и подключен к источнику электромагнитного излучения, выполненному с возможностью переключения рабочей длины волны; в качестве волоконного световода использован безоболочечный кварцевый волоконный световод; в качестве волоконного световода использован полимерный волоконный световод; в качестве волоконного световода использован одномодовый волоконный световод.
Выполнение чувствительного элемента в виде объемной спирали световода, уложенной виток к витку на внешней поверхности цилиндрической оправы-корпуса, позволяет производить точное непрерывное измерение показателя преломления исследуемого вещества.
Выполнение чувствительного элемента с возможностью изменения чувствительности посредством выбора рабочей длины волны позволяет производить точное непрерывное измерение показателя преломления исследуемого вещества.
На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического устройства измерения показателя преломления.
На фиг. 2 приведены результаты измерений потери мощности Р на чувствительном элементе при различных диаметрах оправы для трех длин волн (1 - 980 нм; 2 - 1310 нм; 3 - 1550 нм).
На фиг. 3 приведена зависимость потери мощности от числа витков N спирали в чувствительном элементе.
Волоконно-оптическое устройство измерения показателя преломления (фиг. 1) содержит источник электромагнитного излучения 1, по меньшей мере, один чувствительный элемент 2, фотоприемник (на чертеже не показан), входящий в блок обработки информации 3. Чувствительный элемент 2 с одной стороны посредством стандартного световода подключен к фотоприемнику, а с другой стороны при помощи волоконного световода соединен с источником электромагнитного излучения 1. Чувствительный элемент 2 представляет собой участок волоконного световода и выполнен в виде объемной спирали световода, уложенной виток к витку на внешней поверхности цилиндрической оправы-корпуса. Чувствительный элемент 2 выполнен с возможностью изменения чувствительности посредством выбора рабочей длины волны. Источник электромагнитного излучения 1 выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны. В качестве волоконного световода может быть использован безоболочечный кварцевый волоконный световод, или полимерный волоконный световод, или одномодовый или многомодовый волоконный световод.
Чувствительный элемент 2 во время работы погружается в исследуемое вещество.
Устройство работает следующим образом.
Излучение от источника 1 направляется через оптическое волокно к чувствительному элементу 2. При погружении чувствительного элемента 2 в исследуемую среду часть излучения покидает световод по причине нарушения полного внутреннего отражения. Это, в свою очередь, приводит к изменению интенсивности светового пучка. Свет, прошедший через чувствительный элемент 2, распространяется далее по световоду и попадает на фотоприемник блока обработки информации 3. Блок обработки 3 принимает световой пучок и преобразует информацию об интенсивности света в показатель преломления исследуемого вещества (n).
На фиг. 2-3 приведены результаты измерений потери мощности Р на чувствительном элементе при различных диаметрах оправы для трех длин волн, а также зависимость потерь мощности от числа витков спирали в чувствительном элементе.
На основании данных фиг. 2-3 можно выбирать требуемую чувствительность, во-первых, на этапе сборки, варьируя количество витков и диаметр изгиба, во-вторых, на этапе измерений, переключая длину волны источника излучения. Так при постоянном диаметре и числе витков увеличение длины волны повышает потери за счет нарушения полного внутреннего отражения, следовательно, приводит к более интенсивному отклику на изменение относительного показателя преломления окружающая среда-волокно.
Для измерения показателя преломления реализована экспериментальная установка, схема которой приведена на фиг. 1. В качестве источника излучения 1 использован лазер Thorlabs SFL1550S с рабочей длиной волны 1550 нм. Чувствительный элемент 2 реализован из оптического волокна Corning SMF-28 на оправе диаметром 17 мм. Изменение потери мощности при погружении в среду, для которой измерялся показатель преломления, производилось фотоприемником Thorlabs РМ-200. Результаты измерений потери мощности приведены в таблице, погрешность измерения потери мощности на экспериментальной установке не превышала 0,1%.
Как видно из таблицы, величина потери мощности в чувствительном элементе находится в однозначной зависимости от относительного показателя преломления окружающая среда-световод.
Преимущество предлагаемой полезной модели состоит в том, что она позволяет производить непрерывное измерение показателя преломления исследуемого вещества с высокой точностью и расширить арсенал технических средств измерения показателя преломления жидкостей, газов, коллоидных растворов и других подобных веществ.