Волоконно-оптична система інтервальних вимірювань фізичних величин

Волоконно-оптична система штервальних вимірювань фізичних величин, що містить послідовно з'єднані за допомогою відрізків волоконних світловодів випромінювач, п волоконно-оптичних датчиків і фотоприймач, вихід якого з'єднаний з блоком обробки, яка відрізняється тим, що датчики виконані як вимірювальні блоки, на вході кожного з яких встановлений оптичний розгалужувач, перший вихід якого з'єднаний з коротким відрізком волоконного світловоду встановленої і однакової у всіх вимірювальних блоках довжини, а другий вихід з'єднаний з сенсорним відрізком волоконного світловоду, протилежні КІНЦІ обох відрізків волоконних СВІТЛОВОДІВ з'єднані з входами оптичного суматора, вихід якого є виходом вимірювального блока, причому довжина відрізка сенсорного волоконного світловоду у кожному вимірювальному блоці є різною і визначається з умови відсутності перекриття оптичних імпульсів на виході вимірювальних блоків при ЗМІНІ вимірюваних фізичних величин в межах заданих діапазонів, а блок обробки складається з послідовно з'єднаних амплітудного селектора імпульсів і вимірювача часових інтервалів Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може використовуватися для вимірювання фізичних величин в багатьох галузях народного господарства Найбільший ефект використання даного винаходу може дати при вимірюванні фізичних величин з великою точністю і швидкодією в умовах сильних електромагнітних завад, пожежовибухонебезпеки, великої відстані від місця контролю до системи індикації G02F1/00, опублікований 2000 0110 Система складається з множини імпульсних джерел оптичних сигналів на окремих довжинах хвиль, які розділені фіксованим постійним інтервалом довжин хвиль і множину оптронів, а датчик виконаний у вигляді резонатора Фабрі-Перо у якого ширина щілини є функцією значення вимірюваного параметра Відома "Волоконно-оптична система вимірювання фізичних величин", патент Російської Федерації № 2142115, М к л G01B11/00, опублікований 1999 11 27 Робота вказаної системи ґрунтується на використанні мікрорезонансних волоконнооптичних сенсорів візичних величин з частотним виходом Використання резонансних властивостей сенсорів дозволяє отримати можливість мультиплексування їхніх вихідних сигналів, причому КІЛЬКІСТЬ датчиків у цій системі обмежується діапазоном зміни вихідної частоти кожної вимірювальної головки під дією вимірювального параметра Недоліком даного винаходу є те, що запропонована система є досить складною, потребує ретельного налагоджування і має низьку температурну стабільність Також відома "Система вимірювання параметра (варіанти) і спосіб його вимірювання (варіанти)", патент Російської Федерації № 981050024, М к л Розглянута система також має підвищену складність і низьку надійність, окрім того в цій системі датчики не можуть розміщуватися безпосередньо на об'єкті і працювати в жорстких умовах виробничих процесів З відомих винаходів найбільш близьким за технічною сутністю до того, що пропонується є "Волоконно-оптична інформаційно-вимірювальна система", патент Російської Федерації № 2029324, М к л Н04В10/00, опублікований 1995 02 20 Волоконно-оптична система за даним винаходом складається з п волоконно-оптичних датчиків послідовно з'єднаних з допомогою відрізків волоконних СВІТЛОВОДІВ, випромінювача і фотоприймача, вихід якого з'єднаний з блоком обробки Кожний волоконно-оптичний датчик виконаний як пропускаючий з можливістю дискретної зміни коефіцієнта пропускання оптичного випромінювання від К до 1 де 1=1,2,3, п Причому, коефіцієнти пропускання датчиків різні і не дорівнюють нулю (О 00 ю Недоліком розглянутого прототипу є те, що кожний датчик окрім певного зменшення потужності оптичного сигналу вносить відповідну модуляцію параметрів цього сигналу внаслідок впливу вимірювальної величини, причому, оскільки вихідний сигнал попереднього датчика поступає на вхід наступного, то з знятого на виході останнього датчика оптичного сигналу буде дуже складно визначити інформацію про значення вимірювальної величини на конкретному датчику і ВІДПОВІДНО ТОЧНІСТЬ таких вимірювань буде низькою В основу винаходу поставлена задача створення волоконно-оптичної системи інтервальних вимірювань фізичних величин, у якій за рахунок заміни волоконно-оптичних датчиків вимірювальними блоками досягається можливість здійснення вимірювання фізичних величин штервальним методом, який не потребує складних алгоритмів обробки вихідного сигналу, дозволяє збільшити КІЛЬКІСТЬ датчиків, суттєво підвищити точність вимірювань, а джерело оптичних імпульсів і фотоприймач з блоком обробки і індикації розташовувати на значно більшій відстані від датчиків Поставлена задача вирішується тим, що у волоконно-оптичній системі штервальних вимірювань фізичних величин, що містить послідовно з'єднані за допомогою відрізків волоконних світловодів випромінювач, п волоконно-оптичних датчиків і фотоприймач, вихід якого з'єднаний з блоком обробки, датчики виконані у вигляді вимірювальних блоків, на вході кожного з яких встановлений оптичний розгалужувач перший вихід якого з'єднаний з коротким відрізком волоконного світловода встановленої і однакової у всіх вимірювальних блоках довжини, а другий вихід з'єднаний з сенсорним відрізком волоконного світловода, протилежні КІНЦІ обох відрізків волоконних СВІТЛОВОДІВ з'єднані з входами оптичного суматора, вихід якого є виходом вимірювального блоку, причому, довжина відрізка сенсорного волоконного світловода у кожному вимірювальному блоці є різною і визначається з умови відсутності перекриття оптичних імпульсів на виході вимірювальних блоків при ЗМІНІ вимірюваних фізичних величин в межах заданих діапазонів, а блок обробки складається з послідовно з'єднаних амплітудного селектора імпульсів і вимірювача часових інтервалів На фігурі 1 наведена структурна схема системи На фігурі 2 наведена часова діаграма яка ілюструє роботу системи Волоконно-оптична система штервальних вимірювань складається з таких частин випромінювач 1, фокусуючий пристрій для вводу оптичного імпульсу в волоконний світловод 2, з'єднувальні відрізки волоконних СВІТЛОВОДІВ 3, вимірювальні блоки 4, оптичний розгалужувач 5, оптичний суматор 6, короткі відрізки волоконних СВІТЛОВОДІВ встановленої і однакової у всіх блоках довжини 7, сенсорні відрізки волоконних СВІТЛОВОДІВ 8, фотоприймач 9, селектор імпульсів і вимірювач часових інтервалів 10, причому оптичний вихід випромінювача через фокусуючий пристрій 2 і з'єднувальний відрізок волоконного світловода 3 оптично зв'язаний з оптичним входом вимірювального блока 4, а саме з входом оптичного розгалужувача 5, виходи оптичного розгалужувача 5 оптично з'єднані з вхо 54286 дами короткого 7 і сенсорного 8 відрізків волоконних СВІТЛОВОДІВ, їхні виходи оптично зв'язані з оптичними входами суматора 6, оптичний вихід суматора 6 є оптичним виходом вимірювального блоку 4, оптичний вихід останнього вимірювального блоку оптично зв'язаний з оптичним входом фотоприймача 9, вихід фотоприймача електрично зв'язаний з входом амплітудного селектора і вимірювача часових інтервалів 10 Робота системи ґрунтується на ЗМІНІ показника заломлення серцевини сенсорних волоконних СВІТЛОВОДІВ 8 під дією вимірюваних фізичних величин в результаті чого відбувається зміна часу проходження оптичного імпульсу через сенсорний відрізок волоконного світловоду Таким чином, короткий оптичний імпульс, який генерує випромінювач 1 через фокусуючий пристрій 2 і відрізок з'єднувального волоконного світловоду 3 потраплятиме на вхід оптичного розгалужувача 5 в першому вимірювальному блоці 4 Утворені на виходах розгалужувача 5 оптичні імпульси однакової тривалості одночасно надходитимуть на входи короткого волоконного світловоду 7 і сенсорного волоконного світловоду 8 Довжини цих відрізків волоконних СВІТЛОВОДІВ вибрані з умови відсутності перекриття їхніх вихідних оптичних імпульсів на оптичному суматорі 6 В результаті дії вимірювальної фізичної величини на волоконний світловод 8 часовий інтервал між оптичними імпульсами на виході оптичного суматора 6 буде змінюватися Ця зміна буде вимірюватися на виході останнього вимірювального блоку 4 за допомогою послідовно з'єднаних фотоприймача 9, амплітудного селектора і вимірювача часових інтервалів 10 системи у вигляді часових інтервалів між певними імпульсами, що відповідають вибраному вимірювальному блоку Довжини відрізків волоконних СВІТЛОВОДІВ повинні вибиратися з врахуванням наступних співвідношень то - тривалість вхідного імпульсу, І_о = С- to • По, (1) де І_о - довжина короткого відрізка волоконного світловоду 7 встановленої (одиничної) довжини, с - швидкість поширення світла у вакуумі, по - коефіцієнт заломлення серцевини волоконного світловоду, to - час затримки імпульсу в короткому волоконному СВІТЛОВОДІ Довжини відрізків сенсорних волоконних СВІТЛОВОДІВ 8 L, розраховуються за формулою Lj = с • t • п„ (2) де п. - коефіцієнт заломлення серцевини і-го сенсорного волоконного світловода, t, - час затримки оптичного імпульсу в і-му сенсорному волоконному СВІТЛОВОДІ при відсутності впливу вимірювальної величини Значення часу затримки в кожному сенсорному волоконному СВІТЛОВОДІ визначається з співвідношення Т, = Д, + to, (3) де Д. - додатковий час затримки в і-му сенсорному волоконному СВІТЛОВОДІ, який вибирається з умови, що вплив вимірювальної величини в заданому діапазоні не приведе до такої зміни п,, що стане можливим перекриття оптичних імпульсів на виході вимірювального блоку 54286 КІЛЬКІСТЬ ОПТИЧНИХ імпульсів на виході останнього вимірювального блоку П N = 2 , (4) де п - КІЛЬКІСТЬ вимірювальних блоків Для пояснення роботи системи розглянемо контрольний приклад Нехай тривалість вхідного оптичного імпульсу то становить 1 вибрану часову одиницю (ч од ) Час затримки to в короткому волоконному СВІТЛОВОДІ 7 вимірювального блоку 4 теж становить 1 ч од Вплив вимірювальної величини на сенсорний волоконний світловод 8 у кожному з вимірювальних блоків не приводить до збільшення, або зменшення часу затримки в цьому СВІТЛОВОДІ більше ніж 1 ч од Тоді і А, = 2 Ч ОД , де і= 1,2,3, , порядковий номер вимірювального блоку ВІДПОВІДНО час затримки в кожному сенсорному волоконному СВІТЛОВОДІ становитиме Ті = 3 ч од Ї 2 = 5 Ч ОД Довжини сенсорних волоконних світловод їв будуть ВІДПОВІДНО розраховані за формулою (2) У випадку використання трьох вимірювальних блоків 4 інформація про значення вимірюваних фізичних величин для першого сенсорного волоконного світловода буде визначатися через вимірювання тривалості часового інтервалу (див фіг 2 ) між першим і другим, або між третім і четвертим, або між п'ятим і шостим, або між сьомим і восьмим вихідними оптичними імпульсами в порядку їх надходження з виходу останнього вимірювального блоку ВІДПОВІДНО значення вимірювальної величини для другого сенсорного волоконного світловоду буде визначатися шляхом вимірювання часового інтервалу між першим і третім, або другим і четвертим, або п'ятим і сьомим, або шостим і восьмим оптичними імпульсами Аналогічно буде визначатися і інформація про значення вимірювальної величини для третього сенсорного волоконного світловоду Тз = 9 ч од Фіг. 1 54286 Волоконно-оптична система інтервальних вимірювань фЬичних величин Вхїдн імп. І 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1И2 ІЗ 14 15 16 17 18 часстаодивиці Вихід 1-го вимір, блока 12 3 4 5 б 7 S 9 10 11 12 13 14 15 Іб 17 IS часові одиниці Вихід 2-го вимір, блока ппп 12 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 1314 1516 17 18 Вихід 3-го вимір, блока 1 2 3 4 5 .і П П П П Г часові оддшщі 7 S 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Фіг. 2 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044) 236 - 47 - 24 чадові одиниці.