Устройство для измерения температуры

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 01 К 11/12 И О ОПИСАН Н АВТОРСКОМ ВИДЕТЕЛ 21ЯковлевКрасноготехники и э кетельство ССС1/12 к 1976О/18-10,2.79, по котовыдаче авторрототип . отли- конценто элемен,01Е НИЯОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Ордена ТрудовогоЗнамени институт радиотроники АН СССР(56) 1. Авторское свидР 574631, кл. 0 01 К 12. Заявка Р 285655кл. С 01 К 11/12, 24.1рой принято решение оского свидетельства (,п(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее источник света, фотопиемник, оптически с 809025 А занный с ними волоконный световод и термочувствительный датчик, выпол ненный в виде участка волоконного световода, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур, термочувствительный датчик легирован ионами редкоземельного элемента, а фотоприемник выполнен узкополосными с максимумом спектральной чувствительности на длине волны, соответ ствующей линии поглощения ионов ред коземельного элемента.2. Устройство по и. 1ч а ю щ е е с я тем, чторация ионов редкоземельногта находится в пределах отдо 30 вес.Ъ.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры в различных отраслях промышленности.Известны устройства для измерения температуры, содержащие источник света, термочувствительный полупроводниковый элемент, Фотоприемник и волоконный световод, включаюций осветительный и измерительный свето" волоконные жгуты, первый из которых расположен между источником света и термочувствительным полупро- водниковым элементом, а второй между термочувствительным полупроводниковымэлементом и фотоприемни ком 1 .Принцип действия таких устройств состоит в,том, что излучение от источника света распространяется по осветительному световоду и входит 2 О в термочувствительный полупроводниковый элемент, поглощение света в которой меняется в зависимости от .температуры, Измерительный свето,вод воспринимает отраженный сигнал , 25 и передает его кфотоприемнику. При этом интенсивность света,. восприни-, мая Фотоприемником, пропорциональна температуре среды, окружающей тер" мочувствительный полупроводниковый элемент.Недостатками этих Устройств являются .низкая точность измерения:- температуры, обусловленная больши-ми потерями излучения внутри термочувствительного полупроводникового элемента, а также большая инерцион-. ность устройств, связанная с большой теплоемкостью полупроводникового элемента.Наиболее близким решением по 40 технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержацее источник света, Фотоприемник, оптически связанный с ними волоконный световод и термочувствительный датчик, выполненный в .виде участка волоконного световода 2 .Недостатком известного устройства является узкий диапазон измеряемых теМператур, обусловленный малым интервалом изменения показателей преломпения световода в зависимости .от температуры.Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых температур.Эта цель достигается тем что в известном устройстве, термочувствительный датчик легирован ионами .редкоземельного элемента, а фотопри- Ю емник выполнен узкополосным с максимумом спектральной чувствительности на длине волны, соответствуюцей линии поглощения ионов. редкоземельного элемента. Концентрация ионов 65 редкоземельного элемента находится в пределах от 0,1 до 30 вес.В.На фиг, 1 приведена схема выполнения устройства для измерения температуры, оптически связанные световодом источник света, фотоприемник и термочувствительный датчик," на фиг. 2 - схема выполнения устройства для измерения температуры, в которомосветительный и измерительный участки световода совмецены,Устройство содержит источник 1 оптического излучения, фотоприемник 2, оптический связываюций их волокон.ный световод 3 и термочувствитель-. ный датчик 4, выполненный в виде участка указанного волоконного световода, легированного ионами редкоземельного элемента. Волоконный световод имеет осветительный 5 и измерительный 6 участки. Фотоприемник выполнен узкополосным .с максимумом спектральной чувствительности-на длине волны, соответствующей одной из линий поглощения ионов названного редкоземельного элемента, обусловленной переходами с неосйовного уровня энергии.На фиг. 2 показано устройство, вкотором осветительный 5 и измеритель ный 6 участки волоконного световода3 совмецены,Устройство дополнительно содержит отражающее покрытие 7 на торцедатчика 4 и светоделительную.пластину В, ответвляющую часть отраженного светового потока на фотоприемник.Устройство работает следующим образом.Оптическое излучение от источника 1 (фиг, 1 ) через участок 5 световода 3 попадает на участок 4, легированный ионами редкоземельного элемента. В спектре пропускания легированного участка 4 имеются полосы поглощения, обусловленные переходами между энергетическими уровня. ми ионов редкоземельного элемента. Интенсивность полосы поглоцения, обусловленной переходами с неосновного уровня энергии, пропорциональна заселенности этого уровня, заселенность изменяется с температурой и может быть определена по формуле Больцмана.Если температура окружающей среды изменится, например, повысится то на длинах волн,.соответствующих переходам между неосновными уровнями энергии, на легированном участке 4 увелится коэффициент поглощения оптического излучения, что приведет к уменьшению сигнала, поступающего через измерительный участок б на фотоприемник 2.Изменение интенсивности поступаюцего на фотоприемник оптическогоЬ =х где Т - температура, при которойпроизводилась градуировка;Т - измеряемая температурауЭ - интенсивность оптического1излучения на указаннойдлине волны, поступающе-го на фотоприемникприизмеряемой температуре,3 - интенсивность оптическоОго излучения.на указаннойдлине волны, поступающего на фотоприемник притемпературе ТХо - коэффициент поглощениятермочувствительногодатчика на указанной длине волны при температуРе Тр- постоянная Больцмана З 0Е - разность энергий междуосновным и тем неосновиии состояниями, переходам с которого соответствует выбранная длина 35волны,и следовательно, чувствительностьтермочувствительного датчика 4 пряью пропорциональна поглощению х,э.. Поглощение в свою очередь пропорциональио длине датчика и концентрациилегирующих ионов редкоземельногоэлемента. Выбранный нижний пределконцентрации укаэанных ионов, составляющий 0,01 вес.%, соответствует 45.наличию полос поглощения, интенсив, ность которых находится на уровнесерых потерь оптического излученияпри распространении его по световоду. При концентрации менее 0,01 вес.Ъполосы поглощения трудно обнаружимы.В случае, когда датчик необходимо сделать максимально коротким,чтобы поглощение Хе не было малым,требуется как можно большая концентрация ионов редкоземельного элемента, однако технология изготовленияоптических волокон не позволяетввести легирукюцие добавки с концентрацией более 30 вес.Ъ, что тем самым определяет верхний предел по 60концентрации легирующих ионов.Помимо коэффициента поглощениячувствительность датчика зависиттакже и от величины разности энергий АЕ . Чувствительность датчика у излучения на длине волны, соответствующей переходу с неосновногоуровня энергии ионов, используемогов датчике 4 редкоземельного элемента, находится по формуле. максимальна при температуре Т1 4 Евакс= ДсВеличина разности энергий ЬЕ между основным и неосновным состояниями различна для ионов разных редко-,земельных элементов, что дает возможность создания набора дйтМиков,легированных ионами различных редкоземельных элементов, перекрываю 0 щих в сумме температурный диапазонот 30 до 1300 К. Например, в датчике легированном ионами яиц+для полос поглощения, обусловленных пере-ходами с 7 Г уровня, ьЕ = 200 см-и чувствительность максимальна прио70 К, этот датчик может использоваться в температурном диапазоне от 30 до 250 К. Для полоспоглощения, обусловленных перехода-.ми с "Р уровня иона .Сиз+,дЕ = 900 см " и Тмскс. 300 К. Длядатчиков, легированййх ионами ьз+,для полос поглощения, обусловленных переходами с Н уровня,. ЬЕ = 1000 сМ"факс,= 350 К, датчикможет использоваться от 150 до 900 Ъ,Для полос поглощения с НионаЬ5 взьЕ= 2500. см ,Т,с = 50 К. Длядатчиков, легироваййых ионами Мд Зф,для полос поглощения, обусловленныхпереходами с 3. уровня дЕ =ф2000 см. ", Та = 700 К, диапазонизмеряемых температур от 400 до1300 К.Датчики могут быть изготовлены,из любого материала, используемогопри изготовлений волоконных свето,водов. Верхний предел измеряемыхтемператур равен температуре разрушения световодов из наиболее термо"стойкого материала - кварца.Устройство, представленное нафиг. 2, работает аналогично устройству, представленному на фиг. 1.Отличительными особенно тями являются следующие: оптическое излучениепосле прохождения через датчик 4отражается от отражающего покрытия. 7, расположенного на торце датчика4, вторично проходит черездатчик 4и па волоконному световоду 3 посту-,,пает на светоделительную пластину8, которая отражает часть оптического излучения на, фотоприемник 2.Измерительная часть устройствамалогабаритна, что позволяет использовать предлагаемое устройство дляизмерений температуры труднодоступных объектов, а выполнение термо-чувствительного датчика из матерналов (кварц, стекло и т.п. , стой-.ких к воздействию агрессивных сред( кислота, щелочи и т.д. ), позволяетиспользовать предлагаемое устройство в химической промышленности.Термочувствительный датчик выполня.ется диэлектрическим, поэтому-на902583 его. показание не влияют электричес- применимо для контроля температуркие, элеектромагнитные и СВЧ-поля. , ных режимов СВЧ-генераторов и дру- В связи с этим устройство может быть гой электронной аппаратуры. Составитель И.ВабищеВич ктор Петрова Техред И КузвмаКорректор В. БутягаРед акаэ б 322/ лиал ППП "Патент Ужгород, ул. Проектная,Ти ВНИИПИ Гос по делам 113035, Мож 873арственноизобретенва, Ж,Подписноекомитета СССРи открытийаушская наб д. 4/5