Прислупська О.І.

Ужгородський національний університет, Україна

Передавальна характеристика первинного вимірювального перетворювача термометра волоконно-оптичного

У зв'язку з бурхливим розвитком автоматизованих систем контролю і управління і переходом до гнучких автоматизованих виробництв стрімко росте потреба в надійних датчиках різних фізичних величин, зокрема, датчиків температури з широким діапазоном вимірювань. Окрім високих метрологічних характеристик, датчики повинні мати високу стабільність і надійність. Цим вимогам максимально задовольняють волоконно-оптичні датчики температури (ВОДТ), основним вузлом яких є термочутливий елемент, що визначає експлуатаційні характеристики датчика.

Інформаційними параметрами світлового сигналу може вибиратися інтенсивність, фаза, частота, поляризація, спектр і інші. Далі оптичне волокно переносить промодульований, згідно з дією зовнішнього середовища, сигнал до приймача. У деяких випадках вхідне волокно може виступати і в якості вихідного.

Основні переваги волоконно-оптичного термометра:

1) багатоканальність;

2) дистанційний режим вимірювання;

3) малі геометричні параметри;

4) можливість вимірювання температури в умовах дії значних електромагнітних полів, радіації, хімічно агресивних середовищ без втрати заданої точності;

5) можливість експлуатації в умовах підвищеної вогне- і вибухонебезпеки без створення аварійних ситуацій.

Одноволоконні схеми забезпечують передачу оптичного сигналу від джерела випромінювання до ТЧЕ і в наступному до приймача випромінювання по одному оптичному каналу. Це забезпечується використанням Y-розгалужувача. Вибрана нами схема приведена на рис.1.

Рис.1 Оптична схема одно волоконного первинного вимірювального перетворювача ВОТ

В такій схемі забезпечується зменшення довжини оптичного тракту, але і зменшується величина випромінювання, яке попадає на фотоприймач. Тому необхідно збільшувати коефіцієнт підсилення в електронному модулі.

Для визначення інтенсивності світла, яке попадає на фотоприймач, нами були визначені інтенсивності світла на основі оптичної схеми ходу променів – рис.2.

Рис.2 Хід променів в ТЧЕ одно волоконного термометра

Вихідний сигнал у цьому випадку буде пропорційний потужності вихідного випромінювання:

. (1)

Температурну зміну пропускання – θ(Т) визначалися з наступного співвідношення:

, (2)

де – коефіцієнт відбивання;

– коефіцієнт відбивання дзеркала який при розрахунках прийнятий нами рівним 0,95

Коефіцієнт поглинання розраховувався за правилом Урбаха

. (3)

Базуючись на виразі (2) нами проведено розрахунки температурної залежності відносної зміни пропускання для термочутливого елемента на основі стекол системи Ge-Se-Sb товщиною 30 мкм які приведені на рис.3.

Вибір стекол цієї системи обумовлений тим, що вони забезпечують найкраще узгодження по оптичних параметрах промислових фото- та світло-діодів шляхом зміни складу матеріалу.

В результаті проведених розрахунків встановлено, що найбільшу крутість в інтервалі 300-400К забезпечує склад Ge₂₀Se₆₀Sb₂₀, а найбільша область лінійності характеристики для цього складу має місце при товщині 10 мкм
(рис. 3).

Рис. 3 Залежність відносної зміни пропускання від температури для різних товщин матеріалу ТЧЕ (Ge₂₀Se₆₀Sb₂₀) одно волоконного ПВП

В якості джерела випромінювання нами вибрано випромінювальний діод АЛ135А [1], а в якості приймача – фотодіод ФД265А [2]. Ці діоди забезпечують найкраще оптичне узгодження за оптичними параметрами вибраного матеріалу ТЧЕ. Окрім цього вони випускаються в металевих корпусах з оптичним роз’ємом, який забезпечує з’єднання з оптичною лінією зв’язку без додаткового юстування.

Температурна залежність струму фотодіода розраховувалась відповідно до стандартних методик викладених в посібниках [3, 4]. Результати розрахунків приведено на рис.4.

Рис. 4. Температурна залежність струму фотодіода первинного вимірювального перетворювача

Як видно з цих результатів величина струму фотодіода при зміні температури в діапазоні 300 – 350К приводить до зміни струму фотодіода на
0,8 мкА. Характер зміни струму, у вказаному інтервалі температур є практично лінійний. В цілому одержаний результат задовільняє поставленим вимогам.

Література:

1. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.1. –М.: РадиСофт, 1998. –512с.

2. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.3. –М.: РадиСофт, 1998. –564с.

3. Якушенко А.С., Соломатин В.А., Елизаренко Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. –М.: Недра, 1984, 215с.

4. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщиков Г.В. Источники