Пристрій для вимірювання температури

Устройство относится к термометрии и предназначено для теплового контроля объектов, находящихся под электрическим напряжением, работающих в электромагнитном поле, в условиях повышенной пожароопасности и т.д. Наиболее близким к предлагаемому является устройство по заявке Великобритании №2130719, кл. G01K11/00, 1984. Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит источник света и фотоприемник, соединенные со световодом, имеющим сердцевину, окруженную концентрически оболочкой, на участке которого, являющимся термочувствительным элементом, оболочка заменена покрытием, с показателем преломления, изменяющимся в зависимости от температуры, и не меньшим, чем у оболочки, в диапазоне измеряемых температур. При изменении температуры изменяется разность между показателями преломления сердцевины и покрытия, соответственно изменяется интенсивность светового потока, переходящего из сердцевины в покрытие. В результате, в зависимости от температуры изменяется интенсивность светового потока, достигающего фотоприемника. Недостатком этого устройства является резкое изменение термочувствительности. Имеется относительно небольшой температурный интервал (30 - 60°C), где высоки термочувствительность устройства и его метрологические характеристики, вне этого диапазона термочувствительность устройства резко падает, что существенно ограничивает диапазон измеряемых температур. В основу изобретения поставлена задача создать устройство с более равномерной термочувствительностью в пределах более широкого температурного диапазона. Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство для измерения температуры, содержащее источник света и фотоприемник, соединенные световодом, имеющим сердцевину, окруженную оболочкой, и термочувствительный элемент, выполненный в виде участка этого же световода, на котором оболочка заменена материалом с переменным в зависимости от температуры показателем преломления, величина которого в диапазоне измеряемых температур не меньше, чем у оболочки, отличается тем, что в материал введен наполнитель с размером частиц, многократно превышающим длину волны излучения источника света, и показателем преломления, близким к показателю преломления сердцевины световода. Новым в данном техническом решении является то, что в материал, заменяющий оболочку на участке световода, введен наполнитель с размером частиц, многократно превышающим длину волны излучения источника света, и показателем преломления, близким к показателю преломления сердцевины световода. При изменении температуры наиболее резкое перераспределение светового потока, распространяющегося по световоду, между сердцевиной и материалом, заменяющим оболочку в термочувствительном элементе наблюдается, когда показатели преломления сердцевины и материала близким, В соответствующем температурном интервале устройство отличается наибольшей термочувствительностью вне его термочувствительность падает, в результате, рабочий температурный диапазон устройства невелик. В предложенном устройстве, в отличие от известного, свет, проникающий из сердцевины в материал, заменяющий оболочку на участке световода, являющемся термочувствительным элементом, рассеивается частицами введенного в него наполнителя. При этом часть рассеянного света возвращается назад в сердцевину и суммируется со световым потоком, распространяющимся по световоду к фотоприемнику. Показатель преломления наполнителя, к примеру, стеклянного либо кристаллического, практически не изменяется в зависимости от температуры сравнительно с вышеуказанным материалом. Поскольку показатель преломления наполнителя близок к показателю преломления сердцевины, при увеличении разности а, следовательно, и разности интенсивность рассеяния возрастает. В итоге, термочувствительность предложенного устройства уменьшается в интервале но возрастает за его пределами. Такое перераспределение термочувствительности приводит, в результате, к расширению рабочего диапазона и позволяет реализовать достаточно высокие метрологические возможности устройства в широкой температурной области. Интенсивному рассеянию света в ТЧЭ способствует то, что размер частиц наполнителя, введенного в материал, заменяющий оболочку, в несколько раз (4 - 10 раз) превышает длину волны света, распространяющегося по световоду. На фиг.1 и 2 схематически показаны примеры выполнения устройства; на фиг.3 термометрические характеристики предлагаемого и аналогичного ему известного устройства. Устройство для измерения температуры содержит в качестве источника света светодиод 1 (квазимонохроматический источник света), в качестве фотоприемника использован фотодиод 2, область спектральной чувствительности которого (ближняя ИК-область) совпадает со спектром излучения светодиода. В устройстве на фиг.1 светодиод 1 и фотодиод 2 соединены световодом 3, имеющим сердцевину 4, концентрически окруженную оболочкой 5. На участке световода оболочка заменена материалом 6, к примеру, полимером, в который введен наполнитель 7, частицы которого равномерно распределены в материале 6. Размер частиц наполнителя многократно превышает длину волны излучения светодиода, Этот участок световода, являющийся ТЭЧ, снаружи покрыт светозащитной оболочкой 8. Рассеивающаяся структура в ТЧЭ может быть сформирована путем напыления через маску двух веществ на участок световода, освобожденный от оболочки. Как показали исследования, варьируя относительное содержание наполнителя от 25 до 50% (объемных), можно изменять термометрическую характеристику устройства и ширину диапазона измеряемых температур. Световой поток, направляемый светодиодом в световод 3, достигает ТЧЭ. В зависимости от температуры ТЧЭ (объекта) изменяется, к примеру, увеличивается разность между показателями преломления в соответствии с этим изменяется (уменьшается) относительная часть светового потока, перешедшего из сердцевины 4 в материал 6 в ТЧЭ, одновременно изменяется (увеличивается) разность между показателями преломления возрастает рассеяние светового потока, проникшего в материал 6, частицами введенного в него наполнителя 7, в результате чего часть светового потока возвращается в сердцевину и далее распространяется по световоду к фотодиоду 2. В варианте устройства на фиг.2 источник света 1 и фотоприемник 2 соединены со световодом с помощью разветвителя 9. На удаленном конце световода 3, за ТЧЭ, имеется светоотражающее покрытие 10. В этом случае световой поток, распространяющийся по световоду 3, дважды проходит сквозь ТЧЭ, отразившись от покрытия 10, после чего направляется к фотоприемнику. Между интенсивностью светового потока, регистрируемого фотодиодом 2, и температурой ТЧЭ имеется однозначное соответствие. Графики, приведенные на фиг.3, соответствуют устройству по фиг.1, выполненному на основе светодиода АЛ118А, фотодиода ФД263, световода типа КП-200 с кварцевой сердцевиной диаметром 200 мкм и оболочкой СИЭЛ. На участке световода (в ТЧЭ) оболочка СИЭЛ заменена кремнийорганическим эластомером с В эластомер введен порошок кварцевого стекла с размером частиц 8 - 15мкм. Объемное содержание наполнителя в эластомере составляет 40%. График 1 на фиг.3 описывает нормированную термометрическую характеристику устройства где - температура, выходной сигнал устройства, максимальный выходной сигнал в рабочем температурном диапазоне. График 2 соответствует аналогичному устройству, но в отсутствии наполнителя. Как следует из приведенных графиков, предложенное устройство отличается более равномерной термочувствительностью, и его рабочий диапазон в 1,75 раза шире, чем у аналогичного известного устройства. Термочувствительность предложенного устройства, усредненная в пределах рабочего диапазона достаточно высока и составляет 0,16дб/К. Предложенное устройство обеспечивает электробезопасность теплового контроля объектов, находящихся под электрическим напряжением, в т.ч. высоковольтных, дистанционность измерений, отличается высокой помехозащищенностью в условиях воздействия электромагнитного поля, в т.ч. СВЧ, малой тепловой инерционностью (благодаря миниатюрности ТЧЭ), абсолютной пожаровзрывобезопасностью.