Пристрій для вимірювання температури

Изобретение относится к термометрии и предназначено для теплового контроля объектов, находящихся под электрическим напряжением, работающих в электромагнитном поле, в условия х повышенной пожаровзрывоопасности и т.д. Известно устройство, содержащее термочувстви тельный элемент, состоящий из оптически неоднородной системы, компонентами которой являются прозрачные бесцветные вещества с близким в рабочем температурном диапазоне устройства показателем преломления, отличающиеся зависимостью показателей преломления от температуры и длины волны света [1]. При каждом значении температуры в пределах рабочего диапазона устройства показатели преломления компонентов совпадают для света определенной длины волны, который беспрепятственно проходит сквозь термочувстви тельный элемент, сохраняя пространственную структуру входного пучка. При этом для света иных длин волн показатели преломления компонентов отличаются между собой, и термочувствительный элемент является рассеивающей структурой. В результате термочувствительный элемент подобен полосовому светофильтру и при распространении сквозь него белого света кажется окрашенным в цвет, соответствующий длине волны света, проходящего сквозь него без рассеяния. При изменении температуры показатели преломления компонентов совпадают для света иной длины волны, и, соответственно, изменяется цвет термочувствительного элемента. В результате этого цвет устройства для измерения температуры в пределах его рабочего температурного диапазона обратимо и непрерывно изменяется в границах видимой области спектра - от красного до фиолетового. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения температуры [2], содержащее источник света и фотоприемник, соединенные с входным и выходным торцами световодов, в разрыв которых помещен светорассеивающий термочувствительный элемент. Термочувствительный элемент выполнен на основе холестерического жидкого кристалла, светорассеивающие свойства которого изменяются в зависимости от температуры. Соответственно, с температурой изменяется световой сигнал, передаваемый по световоду к фотоприемнику, вырабатывающему пропорциональный электрический сигнал. Термочувствительный элемент помещен в оболочку, соосную световодам и выполненную из материала, не отражающего свет источника. Недостатком известного устройства является узкий рабочий температурный диапазон. Недостатком этого устройства является также подверженность термочувстви тельного элемента влиянию СВЧ-поля, электростатических зарядов и механических напряжений, в результате чего искажаются результаты измерений. В основу изобретения поставлена задача создать устройство для измерения температуры с расширенным рабочим температурным диапазоном, предназначенное для контроля температуры высоковольтных объектов, а также объектов, работающих в условиях воздействия СВЧ-поля. Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство для измерения температуры, содержащее источник света и фотоприемник, связанные с Входным и выходным торцами световодов, соединенных со светорассеивающим термочувстви тельным элементом, размещенным в оболочке, выполненной из материала, не отражающего излучение источника света, и соосной световодам, отличается тем, что его термочувствительный элемент выполнен в виде оптически неоднородной структуры из смеси компонент, прозрачных для излучения источника света, с разными показателями преломления, отличными друг о т др уга β пределах рабочего температурного диапазона для всего спектра излучения источника света. Новым в данном техническом решении является то, что термочувствительный элемент устройства для измерения температуры выполнен в виде оптически неоднородной структуры из смеси веществ, прозрачных для излучения источника света, с разными показателями преломления, отличными друг от друга в пределах рабочего температурного диапазона для всего спектра излучения источника света. Угловое распределение света, поступающего в термочувствительный элемент, определяется выходной апертурной характеристикой световода, передающего свет от источника, которая, как известно, зависит от соотношения показателей преломления жилы и оболочки световода. Обозначим через φ1 телесный угол, ограничивающий световой поток, поступающий в термочувствительный элемент. Благодаря различию показателей преломления компонентов оптически неоднородная структура, на основе которой выполнен термочувстви тельный элемент, рассеивает проходящий световой поток. Обозначим через φι телесный угол, ограничивающий световой поток, выходящий из термочувствительного элемента. Очевидно, что φ1> φ2. Световой поток, вышедший из термочувстви тельного элемента, далее передается по световоду к фотоприемнику. Этот световод пропускает свет, распространяющийся под углами, ограниченными его входной апертурой – φ3. Свет, падающий на торец световода под большими углами phi > φ3, затухает и к фотоприемнику не поступает. С увеличением разности φ1-φ3 уменьшается доля выходного светового сигнала, достигающего фотоприемника. В свою очередь, разность φ1 – φ3 увеличивается с ростом оптической неоднородности структуры, которая определяется разностью между показателями преломления составляющих ее компонент n1-n2. Поскольку компоненты отличаются между собой температурной ¶n 1 ¶n 2 ¹ , ¶t зависимостью их показателе преломления, ¶t соответствии с температурой изменяется n1-n2, а, следовательно, и оптическая неоднородность структуры. При изменении температуры от t1 до t2 разность ¶n ö æ ¶n Dn = (t 2 - t 1)ç 1 - 2 ÷. ç ¶t ¶t ÷ è ø показателей преломления компонент изменится на величину В соответствии с вариациями n1-n2, т.е. оптической неоднородности термочувствительного элемента изменяется разность φ2 – φ3, и соответственно выходной световой сигнал, регистрируемый фотоприемником. Таким образом, сочетание оптически неоднородной структуры, рассеивающие свойства которой регулируются температурой, с узкоапертурным элементом - световодом, отбирающим лишь часть светового потока для передачи к фотоприемнику, обеспечиеает работоспособность, новизну и преимущества предложенному устройству по сравнению с известными. В предложенном устройстве в отличие от известных, полезный выходной сигнал формируется исключительно рассеянным светом, благодаря различию показателей преломления компонент смеси для всего спектра излучения источника света в пределах всего рабочего температурного диапазона устройства термочувстви тельный элемент является оптически неоднородной рассеивающей средой для всего прохождения сквозь него светового потока. Оптическая неоднородность термочувствительного элемента определяется температурой, в соответствии с которой изменяются апертурные характеристики выходного светового потока и соответственно относительное количество его, передаваемое к фотоприемнику, что, в итоге, приводит к изменению выходного сигнала устройства. На фиг.1 схематически показаны примеры (а, б, в) конкретного выполнения устройства. Устройство для измерения температуры содержит в качестве источника света светодиод 1 (источник света узкого спектрального состава). Он соединен с одножильным световодом 2. В качестве фотоприемника использован фотодиод 3, область спектральной чувстви тельности которого совпадает со спектром излучения светодиода. Фотодиод соединен со световодом 4, также выполненным из одножильного многомодового кабеля. Между световодами 2 и 4 расположен термочувствительный элемент 5, выполненный в виде оптически неоднородной структуры типа смеси компонент 6 и 7,один из которых измельчена и равномерно распределена во второй компоненте 7. Смесь находится в оболочке 8, не отражающей (пропускающей либо поглощающей) световой поток источника 1. В варианте на фиг. 1, 6 использован световод 9 с разветвителем 2 и 4. На основание 10 термочувстви тельного элемента 5 нанесено покрытие, отражающее световой сигнал обратно в световод 9 и далее через ответвление 4 к фотоприемнику 3. В варианте на фиг.1,в термочувствительный элемент 5 соединен с одним из световодов, одновременно направляющим к несу свет от источника 1 и выходной сигнал к фотоприемнику 3 с помощью светоделительного кубика 11с полупрозрачным отражающим покрытием 12. Схемы питания светодиода, фотодиода и электронной обработки выходного сигнала не показаны. При работе устройства свет источника 1 направляется световодом 2 к термочувствительному элементу 5. Проходя сквозь структур у, состоящую из компонент с неравным показателем преломления, он рассеивается, при этом угловая апертура выходного пучка возрастает с увеличением разности между показателями преломления компонент, которая изменяется в соответствии с температурой вследствие отличия температурных коэффициентов показателей преломления компонент. Выходкой сигнал термочувстви тельного элемента 5 воспринимается световодом 4 в пределах его входной апертуры и передается к фотоприемнику 3. В соответствии с изменением температуры и сопутствующим ему изменением апертуры выходного пучка термочувстви тельного элемента изменяются относительная часть его, передаваемая выходным световодом 4 к фотоприемнику 3, и вы ходной сигнал устройства. Предложенное устройство, выполненное на основе светодиода типа ЗЛ107А, фотодиода - ФД263, световода с кварцевой жилой диаметром 600 мкм и оптически неоднородной структуры на основе кремнийорганического каучука и кварцевого стекла имеет рабочий температурный диапазон в б раз шире. Предложенное устройство исключает гальваническую связь с контролируемым объектом, что обеспечивает безопасность теплового контроля в условиях воздействия высокого электрического напряжения и электромагнитного поля, в том числе СВЧ-диапазона.