6.6.3. Измерение температуры

Для измерения температуры в промышленных условиях разработано множество методов на основе оптических волокон, и некоторые датчики выпускаются серийно [24].

Например, датчик компании Aссufiber включает в себя тонкий сапфировый стержень (рис. 6.49).

Рис. 6.49. Схема датчика на основе сапфирового черного тела

и оптический анализатор

Измерительный конец стержня покрыт тугоплавким металлом. Другой конец стержня подсоединен к низкотемпературному оптическому волокну за пределами высокотемпературной зоны измерений. Лучистая энергия от раскаленного металлического покрытия проводится по сапфировому стержню и низкотемпературному оптическому волокну к блоку анализа и отображения. Покрытый металлом кончик волокна представляет собой черное тело, спектр излучения которого зависит от температуры в соответствии с законом излучения Планка. Анализ узкой полосы спектра излучения, выходящего из низкотемпературного волокна, выполняется при помощи оптического интерференционного фильтра и фотодетектора, преобразуещего энергию излучения в электрическую энергию [24]. Дистанционные измерения температуры при температурах ниже 400С могут быть выполнены при помощи спектрально-селективных методов. Такие методы не чувствительны к изменениям излучения черного тела, но скорее регистрируют на вызванные температурой изменения флуоресценции или спектров поглощения определенных специальных веществ. В выпускаемой в настоящее время системе Luxtron светящийся люминофор размещен на кончике оптического волокна в зоне измерения (рис. 6.50).

Рис. 6.50. Схема кончика волокна с люминофорным покрытием

Импульсы оптического возбуждения вызывают свечение люминофора, и время, за которое угасает свечение, зависит от температуры.

В настоящее время некоторые компании производящие радиационные пирометр, начали применять в этих приборах головку, формирующую изображение, и волоконный жгут. Такое сочетание позволяет дистанционно выполнять бесконтактные измерения температуры путем передачи по волокну излучения из горячей зоны к пирометру [24].

6.6.4. Измерение уровня

Имеется множество способов измерения уровня жидкости при помощи волоконно-оптических датчиков. При одном из подходов волокна используются для передачи света в призму. При соответствующим образом подобранном угле призмы происходит полное внутреннее отражение света, когда призма находится в воздухе. Если призма погружается в жидкость, в жидкости происходит преломление света. Таким образом, это устройство действует как выключатель света, зависящий от уровня жидкости [24].

Треугольная призма, используемая в датчике уровня воды, устроена так, что, когда она погружена в воду, пучки красного и зеленого цвета, проходя через порты, отклоняются по отношению к отверстиям в кодирующей пластине в соответствии с законом преломления Снеллиуса. Для формирования пучков света используются лампа, красный и зеленый световой фильтры и колимирующие линзы (рис. 6.51-6.52).

Рис. 6.51. Принцип действия датчика уровня воды: а) отклонение пучков света при прохождении через воду; б) отсутствие отклонения пучков

света при прохождении через пар.

При наличии воды зеленый свет проходит через порт датчика и отверстие. При отсутствии воды лучи проходят через воздух или пар и не отклоняются. В результате через отверстие проходит пучок красного света [24]. Свет от каждого из отверстий собирается и вводится в отдельные оптические волокна, которые подсоединены к устройству отображения в диспетчерской (рис. 6.52).

Рис. 6.52. Вид сбоку волоконно-оптического считывающего устройства датчика уровня воды, состоящего из пяти портов.

Основным преимуществом такого волоконно-оптического средства считывания уровня воды с датчика-водомера является его надежность, обеспеченная пассивностью процесса измерения [24].

6.6.5. Измерение скорости потока

Достаточно хорошо изучен метод лазерного доплеровского измерения скорости. Принцип действия волоконно-оптических датчиков основанных на данном методе, заключается в следующем. Излучение подводится к зонду по оптическим волокнам, и он фокусирует два световых пучка внутри текущего вещества. Картина интерференционных полос в области перекрытия световых пучков определяет объем выборки (рис. 6.53). Также по волокнам в электронный блок обработки возвращается излучение, рассеянное частицами, которые проходят через картину интерференции, созданную формирующими объем измерения пучками [24]. Скорость частиц определяется на основании частотного спектра модуляции по графику зависимости интенсивности излучения от времени (рис. 6.53).

Рис. 6.53. Зонд лазерного доплеровского измерителя скорости

Поскольку скорость потока связана с изменениями интенсивности во времени, а не с количеством рассеянного излучения, выходной сигнал такого датчика нечувствителен к загрязнению оптической поверхности [24].