SU1747949A1

SU1747949A1 - Temperature measuring device

Info

Publication number: SU1747949A1
Application number: SU904819799A
Authority: SU
Inventors: Сергей Леонидович Галкин; Геннадий Васильевич Комаров; Рашид Шайхисламович Тухватулин
Original assignee: Научно-Производственное Объединение Им.Коминтерна; Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.А.Бонч-Бруевича
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1990-02-12
Publication date: 1992-07-15

Abstract

Изобретение относитс к термометрии и позвол ет повысить точность измерений труднодоступных объектов Оптическое излучение с выхода источника 1 излучени , промодулированное модул тором 2, через оптический разветвитель 3 поступает одновременно на чувствительный элемент 5, оптический фильтр 6 и фотодетектор 4 Сигналы с фото детекторе в 7 и 8 поступают на измеритель 9 временных интервалов. Измеритель 9 временных интервалов преобразует относительное временное полжение этих сигналов в код, несущий информацию об измер емой температуре 2 илThe invention relates to thermometry and allows to increase the accuracy of measurements of hard-to-reach objects. Optical radiation from the output of the radiation source 1, modulated by the modulator 2, through the optical splitter 3 is fed simultaneously to the sensitive element 5, the optical filter 6 and the photodetector 4. Signals with a photo detector at 7 and 8 arrive at the meter 9 time intervals. A 9 time interval meter converts the relative time resolution of these signals into a code that carries information about the measured temperature of 2 sludge.

Description

4J6 -@4J6 - @

S5S5

v|v |

22

ОABOUT

Изобретение относитс к технике теплотехнических измерений и предназначено дл измерени температуры в труднодоступных и удаленных местах, в сильных электромагнитных пол х.The invention relates to a technique of heat engineering measurements and is intended to measure temperature in hard to reach and remote locations, in strong electromagnetic fields.

Известно устройство дл измерени физических величин, содержащее два источника света и блок питани источников света, волоконно-оптический датчик, спектр пропускани которого зависит от измер емой физичес кой величины, четыре фотоприем- , два светофильтра, два селектора сигналов, схемы отношений, два терморе- гул тора, регистр и два сравнивающих устройства . Дл сопр жени источника света с фотоприемниками служат светоделители .A device for measuring physical quantities is known, comprising two light sources and a power supply unit for light sources, a fiber optic sensor whose transmission spectrum depends on the physical quantity to be measured, four photo-receivers, two light filters, two signal selectors, a ratio circuit, two thermal signals a gullet, a register, and two comparison devices. To match the light source with the photoreceivers, there are beam splitters.

Недостатком этого устройства вл етс низка точность измерени из-за нестабильности излучени в оптическом тракте волоконно-оптического датчика.A disadvantage of this device is the low measurement accuracy due to the instability of radiation in the optical path of the fiber optic sensor.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату вл етс волоконно-оптическое ус- тройство дл изменени температуры, содержащее источник излучени , к входу которого подключен модул тор, а его выход через первый волоконный световод соединен с Одним из выводов оптического развет- вител , второй вывод которого соединен через второй волоконный световоде входом опорного фотодетектора, его третий вывод через третий световод соединен с чувствительным элементом, а четвертый вывод через четвертый световод - с входом сиг- нального фотодетектора и блоком электрон- ной обработки в виде измерител временных интервалов, к первому и второму входам которого подключены соответственно выходы опорного и сигнального фотодетекторов, а его ыход соединен с индикаторным устройством.The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a fiber optic device for temperature change, containing a radiation source to the input of which the modulator is connected, and its output through the first optical fiber is connected to one of the pins of the optical distributor, The second pin of which is connected via the second optical fiber by the input of the reference photodetector, its third pin is connected to the sensitive element via the third fiber, and the fourth pin through the fourth e - with the input of the signal photodetector and the electronic processing unit in the form of a time interval meter, to the first and second inputs of which the outputs of the reference and signal photodetectors are connected, respectively, and its output is connected to the indicator device.

Недостатком известного устройства вл етс низка точность измерени температуры из-за вносимых неконтролируемых затуханий интенсивности излучени в све- товодном кабеле и разброса потерь в оптических разъемах. Существенно понижаетс точность измерени широкого диапазона Температур в удаленных от электронного блока точках, так как затухание в оптическом кабеле зависит от температуры окружающей среды.A disadvantage of the known device is the low accuracy of temperature measurement due to the insertion of uncontrolled attenuations of the radiation intensity in the light-conducting cable and the spread of losses in the optical connectors. The measurement accuracy of a wide range of Temperatures at points remote from the electronic unit is significantly reduced, since the attenuation in an optical cable depends on the ambient temperature.

Цепь изобретени - повышение точности измерени температуры.The circuit of the invention is to improve the accuracy of temperature measurement.

Указанна цель достигаетс тем, что в устройство дл измерени температуры введены последовательно соединенные светофильтр, п тый волоконный световод и фотодетектор, подключенный выходом кThis goal is achieved by the fact that a series-connected light filter, a fifth optical fiber and a photodetector connected by output to

третьему входу измерител временных интервалов , и шестой волоконный световод, включенный между выходом чувствительного элемента и входом сигнального фотодетектора , при этом светофильтр через четвертый волоконный световод подключен к четвертому выводу оптического разветви- тел .the third input of the time interval meter, and the sixth optical fiber connected between the output of the sensing element and the input of the signal photodetector, while the optical filter is connected via the fourth optical fiber to the fourth output of the optical splitter.

Введение дополнительного фотодетектора и светофильтра с независимой от температуры полосой пропускани позвол ет измер ть сдвиг кра полосы поглощени чувствительного элемента относительно полосы поглощени светофильтра, повыша точность измерени температурыThe introduction of an additional photodetector and a light filter with a temperature-independent bandwidth allows measuring the shift of the absorption band of the sensitive element relative to the absorption band of the light filter, increasing the accuracy of temperature measurement

На фиг,1 представлена схема предлагаемого волоконно-оптического устройства; на фиг, 2 - временные диаграммы зависимости длины волны от времени, по сн ющие работу устройства. Устройство содержит источник 1 излучени , вход которого соединен с модул тором 2. Выход источника 1 излучени через первый волоконный световод Si соединен с входом оптического раз- ветвител 3 Выводы разветвител 3 через волоконные световоды $2-54 соединены соответственно с опорным фотодетектором 4, чувствительным элементом 5 и светофильтром 6. Вход сигнального фотодетектора 7 соединен волоконным световодом Se с выходом чувствительного элемента 5, а вход фотодетектора 8 соединен волоконным световодом Ss со светофильтром 6. Фотодетекторы 4, 7 и 8 соединены с измерителем 9 временных интервалов, выход которого соединен с входом блока 10 индикацииFig, 1 presents the scheme of the proposed fiber-optic device; Fig. 2 shows time diagrams of the dependence of the wavelength on time, explaining the operation of the device. The device contains a radiation source 1, the input of which is connected to the modulator 2. The output of the radiation source 1 through the first optical fiber Si is connected to the input of the optical coupler 3 The outputs of the splitter 3 are connected via fiber optic fibers $ 2-54 respectively to the reference photo detector 4, the sensitive element 5 and a light filter 6. The input of a signal photodetector 7 is connected by a Se fiber fiber to the output of a sensing element 5, and the input of a photodetector 8 is connected by a fiber light guide Ss to a light filter 6. Photodetectors 4, 7 and 8 are connected to the meter 9 time intervals, the output of which is connected to the input of the display unit 10

Источник 1 излучени выполнен на перестраиваемом лазере, и оптическое излучение на его выходе модулируетс по длине волны. Закон модул ции может быть пилообразным в диапазоне от Ai до Кг.The radiation source 1 is made on a tunable laser, and the optical radiation at its output is wavelength modulated. The modulation law can be sawtooth in the range from Ai to Kg.

Модул тор 2 - это генератор периодического сигнала, модулирующий длину волны оптического излучени на выходе лазера по заданному законуModulator 2 is a periodic signal generator modulating the wavelength of optical radiation at the laser output according to a given law.

Оптический разветвитель 3 делит мощность выходного оптического излучени между трем выходами с посто нными коэффициентами передачи, не зависимыми от длины излучени . Излучение подводитс и отводитс от разветвител 3 многомодовым волоконно-оптическим кабелем.The optical splitter 3 divides the output optical power between three outputs with constant transmission coefficients independent of the length of the radiation. The radiation is supplied and removed from the splitter 3 by a multimode fiber optic cable.

Чувствительный элемент 5 построен на волоконно-оптическом кабеле, в разрыв которого помещена полупроводникова пластинка , спектр пропускани которой зависит от температуры (например, пластинка арсенида галли ) При изменении температуры сдвигаетс по длине волны край полосы поглощени полупроводникевой пластины в пределах от At до -Аа. Конструктивно кабель и пластинка размещены на металлической подложке, котора прижата к контролируемой поверхности. На подложке световод кабел размещаетс в V-образной канавке и крепитс теплостойким клеем. Пластинка полупроводника располагаетс перпендикул рно оси оптического кабел так, чтобы излучение проходило из одного торца световода в другой через пластинку.The sensing element 5 is built on a fiber optic cable, in the gap of which a semiconductor plate is placed, the transmission spectrum of which depends on temperature (for example, a gallium arsenide plate). As the temperature changes, the edge of the semiconductor plate's absorption band shifts from At to AA. Structurally, the cable and the plate are placed on a metal substrate, which is pressed against the test surface. On the substrate, the cable light guide is placed in a V-shaped groove and secured with heat-resistant glue. The semiconductor plate is located perpendicular to the axis of the optical cable so that the radiation passes from one end of the fiber to the other through the plate.

Фотодетекторы 4, 7 и 8 могут быть построены на p-i - n-фотодиодах с предварительными усилител ми. Выходные электрические сигналы фотодетекторов пропорциональны интенсивности излучени и поступают на измеритель 9 временных интервалов .Photo detectors 4, 7, and 8 can be built on p-i-n photodiodes with preamplifiers. The electrical output signals of the photodetectors are proportional to the intensity of the radiation and arrive at the meter 9 time intervals.

Блок 10 индикации выводит информацию о температуре в цифровой форме.The display unit 10 displays information about the temperature in digital form.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Оптическое излучение с выхода источника 1 излучени , промодулированное модул тором 2 пилообразно по длине еолны от AI до А2,через разветвитель 3 поступает одновременно на чувствительный элемент 5, оптический фильтр 6 и фотодетектор 4. Выходное излучение чувствительного элемента 5 и фильтра 6 дополнительно модулируетс по амплитуде, так как кра полос поглощени элементов 5 и 6 размещаютс между длинами волн AI и Кг и при изменении длины волны излучени Я измен ютс соответственно коэффициенты поглощени элементов 5 и 6, модулиру по амплитуде выходное излучение.Optical radiation from the output of the radiation source 1, modulated by the modulator 2, sawtooth along the wavelength from AI to A2, through the splitter 3 enters simultaneously the sensitive element 5, the optical filter 6 and the photodetector 4. The output radiation of the sensitive element 5 and filter 6 is additionally modulated in amplitude since the edges of the absorption bands of elements 5 and 6 are placed between the wavelengths AI and Kg and, as the radiation wavelength I varies, the absorption coefficients of elements 5 and 6, modulated in amplitude, change accordingly output radiation.

Электрические сигналы на выходах фотодетекторов 4, 7 и 8 пропорциональны амплитудам излучени на их входах. Временные диаграммы электрических сигналов фотодетекторов 7 и 8 повтор ют форму и положение полос поглощени в области длин волн чувствительного элемента 5 и фильтра 6 соответственно Временное положение электрического сигнала на выходе фотодетектора 7 зависит от температуры г чувствительного элемента 5, а сигнал на выходе фотодетектора 8 не измен етс оттемпе- ратуры. Относительное временное положение сигналов на выходах элементов 7 и 8 несет информацию о температуре чувствительного элемента 5. При изменении амплитуды или длины волны излучени лазера измен ютс одновременно сигналы на выходах фотодетекторов 7 и 8 так, что относительное временное положение их не мен етс .The electrical signals at the outputs of the photodetectors 4, 7 and 8 are proportional to the amplitudes of the radiation at their inputs. The time diagrams of the electrical signals of the photodetectors 7 and 8 repeat the shape and position of the absorption bands in the wavelength region of the sensing element 5 and filter 6, respectively. The temporal position of the electrical signal at the output of the photodetector 7 depends on the temperature g of the sensitive element 5, and the signal at the output of the photodetector 8 does not change From time to time. The relative temporal position of the signals at the outputs of elements 7 and 8 carries information about the temperature of the sensitive element 5. As the amplitude or wavelength of the laser radiation changes, the signals at the outputs of the photodetectors 7 and 8 change simultaneously so that their relative temporary position does not change.

Опорный электрический сигнал на выходе фотодетектора 1 несет информацию оThe reference electrical signal at the output of the photodetector 1 carries information about

затухании в оптическом тракте и используетс дл компенсации дополнительной погрешности измерени .attenuation in the optical path and is used to compensate for additional measurement error.

5Сигналы с фотодетекторов 7 и 8 поступают на измеритель 9 временных интервалов , который преобразует относительное временное положение этих сигналов в кодовую комбинацию цифровых сигналов, несу10 щих информацию о температуре. Цифровой сигнал поступает на блок 10 индикации, который выводит информацию о температуре чувствительного элемента 5,5 The signals from photo detectors 7 and 8 are fed to a 9 time interval meter, which converts the relative temporal position of these signals into a code combination of digital signals carrying temperature information. A digital signal is fed to the display unit 10, which displays information about the temperature of the sensitive element 5,

Подбира оптический фильтр и чувстви5 тельный элемент с соответствующими наклонами спадов коэффициентов передачи в области кра полосы поглощени (Аф и Ачэ), которые обратно пропорциональны интервалу длин волн ДАчэ и АЯф, где ААчэ иSelecting an optical filter and a sensing element with the corresponding slopes of the decay of the transfer coefficients in the region of the absorption edge (Af and Ache), which are inversely proportional to the wavelength interval Dache and AJf, where Aache and

0 ДАф - область длин волн, в пределах которой коэффициенты поглощени соответственно чувствительного элемента и фи ьтра линейно измен ютс от 0 до 1, можно уменьшить ошибку измерени температуры. В этом0 DAF - the wavelength range, within which the absorption coefficients of the sensitive element and the filter are linearly varied from 0 to 1, it is possible to reduce the temperature measurement error. In that

5 случае погрешность измерени , св занна с неконтролируемыми затухани ми интенсивности излучени в световодном кабеле и оптическом разветвителе, стремитс к нулю.In the case of a measurement error associated with uncontrolled attenuation of the radiation intensity in the light guide cable and the optical splitter, it tends to zero.

00

Claims

Apparatus of the Invention A temperature measuring apparatus comprising a series-connected modulator, a radiation source,

5 through the first optical fiber connected to the first output of the optical distributor, the second output of which is connected via the second optical fiber and the reference photodetector to the first input of the time interval meter, connected to the input of the display unit, and the second input to the output of the photodetector, the third the output of the optical splitter through the third fiber optical fiber is connected to the sensitive element, and its fourth output is connected to the fourth optical fiber, characterized in that, with Strongly improved precision, it vve0 Dena serially connected filter, a fifth optical fiber and the photodetector output is connected to the third input of the meter slots, and a sixth optical fiber,

5 connected between the output of the sensing element and the input of the signal detector of the photodetector, while the light filter through the fourth fiber light guide is connected to the fourth output of the optical splitter

Fig 2.