Совмещенный волоконно-оптический датчик давления и температуры

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано при дистанционном мониторинге давления и температуры в нефтяной отрасли, электротехнической промышленности, геологической разведке и т.д. Техническая задача - усовершенствование измерительного устройства. Технический результат - повышение точности измерений давления за счет учета дополнительной погрешности от температуры. Он достигается тем, что в известном устройстве дополнительно введены светоделители, микрообъективы, микропозиционер, коллимирующая линза, рабочее одномодовое волокно с алюминиевым покрытием для измерения температуры, сочленитель, собирающая линза, фотоприемник, усилитель мощности сигнала, блок обработки, схема термокомпенсации.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при дистанционном мониторинге давления и температуры жидкости в нефтяной отрасли, электротехнической промышленности, геологической разведке и т.д.

Известен волоконно-оптический датчик [см. патент РФ №2205374, 2003 г.]. Данный датчик позволяет измерять давление жидкости. Его недостатком является низкая чувствительность.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является волоконно-оптический интерферометр, предназначенный для измерения давлений в жидкости [см. Бусурин В.И., Носов Ю.Р.] Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатамиздат, 1990. 256 с.], содержащий полупроводниковый или газовый лазер, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, излучение лазера коллимируется системой и подается по оптическому волокну на полупрозрачную пластинку или светоделительный кубик, микро-объективы, микропозиционеры. Большая часть рабочего волокна помещена в исследуемый объем, а опорное волокно находится в стабильных внешних условиях. На выходе рабочего и опорного волокон введены коллимирующие линзы, превращающие расходящиеся фронты в плоские. Для совмещения этих фронтов таким образом, чтобы можно было наблюдать картину интерференции рабочей и опорной волн применен сочленитель. Фотоприемник, который расположен в фокусе собирающей линзы, регистрирует результат интерференции опорной и исследуемой волн. Мощность

сигнала, детектируемого на фотоприемнике, а следовательно, на выходе усилителя и на входе регистрирующей схемы зависит от амплитуды фазовой модуляции.

Известный датчик предназначен для использования при постоянной температуре и характеризуется высокой дополнительной погрешностью при колебаниях температуры измеряемого объекта. Для учета влияния температуры необходимо использовать дополнительный датчик температуры.

Техническая задача - усовершенствование измерительного устройства и расширение функциональных возможностей путем увеличения количества чувствительных элементов.

Технический результат - повышение точности измерений и устранение погрешности при измерении давления и температуры.

Технический результат достигается тем, что известное устройство имеет дополнительно два светоделителя с 50%-ной прозрачностью, два микрообъектива, микропозиционер, коллимируюшую линзу, рабочее одномодовое волокно с алюминиевым покрытием для измерения температуры, сочленитель, собирающую линзу, расположенные последовательно по ходу пучка излучения, на выходе излучения из оптоволокна фотоприемник, усилитель, блок обработки и схему термокомпенсации.

Предлагаемый совмещенный датчик давления и температуры иллюстрируется чертежом, представленным на фиг.1 (общий вид и сечения по линиям А-А и В-В).

Совмещенный волоконно-оптический датчик давления и температуры содержит лазерный излучатель 1, устройство введения излучения в оптическое волокно 2, оптическое волокно 3, коллимируюшую систему 4, выполненную из двух последовательно расположенных компонентов: мениска и двояковыпуклой линзы, опорное волокно 12, рабочее волокно 13, рабочее волокно 14, имеющее алюминиевое покрытие, в промежуточной части оптического волокна

расположены светоделители 5, 6, 7, микро-объективы 8, 9 микропозиционеры 10, 11, сочленители 18, 19, собирающие линзы 20, 21, на выходе из оптических волокон расположены фотоприемники 22, 23, усилители 24, 25, блоки обработки 26, 27, схема термокомпенсации 28.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 устройством введения излучения 2 вводится в оптическое волокно 3 и коллимируется системой 4. Светоделитель 5 делит световой поток на два потока, один их которых предназначен для измерения температуры. Второй поток светоделителем 6 снова делится на два потока: исследуемый для определения давления и опорный. Опорный и исследуемые потоки используется для создания интерференционной картины. После светоделителей 5 и 6 микрообъективы 8 и 9 фокусируют оптические потоки на входные торцы рабочих 13, 14 и опорного 15 одномодовых волокон. Для обеспечения эффективного ввода излучения в волокна применяются микропозицинеры 10 и 11 (трехкоординатные подвижки с точностью установки 1 мкм). Большая часть рабочих волокон 13 и 14 помещена в исследуемый объем, а опорное волокно 12 находится в стабильных внешних условиях. Изменение фазы в рабочем волокне 13 происходит при воздействии на него давления. Изменение фазы в рабочем волокне 14 происходит при воздействии на него температуры. Нагревание рабочего волокна 14, имеющего алюминиевое покрытие, влияет на изменение фазы распространяющегося в световоде излучения в результате изменения длины световода и изменения его показателя преломления. На выходе из оптических волокон 12, 13, 14 введены коллимирующие линзы 16, 17, превращающие расходящиеся фронты излучения в плоские.

Сочленители 18 и 19 применены для совмещения волновых фронтов таким образом, чтобы в плоскостях 29 и 30 можно было наблюдать картину интерференции рабочей и опорной волн. Известно, что если в некоторой области пространства существуют две когерентные и одинаковым образом

поляризованные волны, волновые векторы которых (соответственно и ) отличаются только направлением, угол между и равен _1,2, то в плоскости, перепендикулярной биссектрисе угла _1,2, будет наблюдаться картина интерференционных полос с периодом .

Интерференционные полосы направлены перпендикулярно плоскости 30 (31), в которой лежат волновые векторы и , как это показано на сечении А-А на фиг.1. Регулируя наклон сочленителей 18, 19 (изменяется угол _1,2) необходимо подстроить интерференционную картину таким образом, чтобы достичь оптимального периода интерференционных полос . Интерференционная картина детектируемая фотоприемниками 22, 23 зависит от амплитуды фазовой модуляции, на выходе из фотоприемника 22 последовательно расположены усилитель 24 и блок обработки 26, на выходе из фотоприемника 23 последовательно расположены усилитель 25 и блок обработки 27. Для исключения дополнительной погрешности измерения давления от температуры включена схема термокомпенсации 28.

Использование в предлагаемом совмещенном волоконно-оптическом датчике давления и температуры в качестве чувствительного элемента оптическое волокно имеющее алюминиевое покрытие выгодно отличает предлагаемый датчик от известных устройств, так как он расширяет функциональные возможности и устранить погрешности при измерении давления и температуры.

Источники

1. Патент РФ №2205374, 2003 г.

2. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатамиздат, 1990. 256 с.

Совмещенный волоконно-оптический датчик давления и температуры, содержащий лазерный излучатель, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, коллимирующую систему, светоделитель, микрообъективы, микропозиционеры, опорное и рабочее одномодовые волокна для измерения давления, коллимирующие линзы, собирающую линзу, фотоприемник, усилитель, блок обработки, отличающийся тем, что в него введены дополнительно два светоделителя, два микрообъектива, микропозиционер, коллимирующая линза, расположенная последовательно по ходу пучка излучения, рабочее одномодовое волокно с алюминиевым покрытием для измерения температуры, сочленитель, собирающая линза, в фокусе которой расположен фотоприемник, на выходе которого расположен усилитель мощности сигнала, блок обработки, схема термокомпенсации.