專利名稱：光纖光學(xué)點溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器，用于監(jiān)測在遠(yuǎn)處或者在具有腐蝕性和電磁噪聲的地點的原位反應(yīng)的點溫度。更具體地說，本裝置可用于石油化學(xué)工業(yè)、過程控制工業(yè)、電氣、石油以及天然氣勘探和開采工業(yè)中。
背景技術(shù)：
石油化學(xué)工業(yè)、過程控制工業(yè)、電氣、石油以及天然氣勘探和開采工業(yè)中利用各種原位以及在反應(yīng)器里發(fā)生的反應(yīng)，而為了得到希望的產(chǎn)品和成分，必須控制對特定溫度的精確測量，所以這些工業(yè)都關(guān)心可用于監(jiān)測遠(yuǎn)處的原位反應(yīng)的溫度的精確狀態(tài)的可能方法和裝置。因此，在這些工業(yè)和發(fā)電站環(huán)境中需要一種實時的自動溫度監(jiān)測技術(shù)。溫度測量裝置例如熱敏電阻、熱電偶和雙金屬型裝置在各種工業(yè)中的應(yīng)用并不理想，因為這些裝置容易受到電磁干擾的影響、笨重以及會產(chǎn)生火花。
常規(guī)的溫度測量裝置具有手動控制、體積大、易碎的缺點，并且動態(tài)范圍不夠、穩(wěn)定性差、壽命不可接受地過短，以及當(dāng)替換裝置時需要進(jìn)行復(fù)雜的校準(zhǔn)步驟。這些校準(zhǔn)步驟需要大量的時間。
近年來光纖光學(xué)傳感器發(fā)展了在許多物理參數(shù)傳感方面的應(yīng)用，因為其與常規(guī)裝置相比具有多種優(yōu)點。這些優(yōu)點包括允許在高電壓、高電噪聲、高溫、腐蝕性、或其它惡劣環(huán)境下使用的介電結(jié)構(gòu)；允許采取任意配置的幾何學(xué)上的通用性；以及與光纖光數(shù)據(jù)鏈接的固有可兼容性。這些特性使得光纖光學(xué)傳感器成為各種工業(yè)中用于監(jiān)測各種臨界(critical)反應(yīng)中的溫度狀態(tài)的一種有吸引力的方法。
因此，希望克服常規(guī)傳感器中的上述問題，并利用光學(xué)傳感器高精度且有效地遠(yuǎn)程監(jiān)測原位反應(yīng)中的點溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可靠、耐用、成本有效的光學(xué)傳感器，用于遠(yuǎn)程監(jiān)測原位反應(yīng)中的點溫度。
基于通過在安裝于玻璃毛細(xì)管上的直角棱鏡中發(fā)生的全內(nèi)反射(TIR)導(dǎo)光的原理，開發(fā)并試驗了一種用于監(jiān)測點溫度的光纖光學(xué)傳感器。
本發(fā)明涉及一種用于遠(yuǎn)程監(jiān)測原位反應(yīng)的點溫度的光學(xué)傳感器，所述傳感器包括玻璃毛細(xì)管，具有用蓋封閉的頂端和在底端的球狀物，所述球狀物用于容納具有良好熱膨脹特性的液體，所述毛細(xì)管具有外垂直表面和內(nèi)垂直表面，其中所述外垂直表面具有溝槽，以及在所述溝槽的高度內(nèi)設(shè)置孔；直角棱鏡，其由斜邊、底部反射面和豎直反射面形成，所述直角棱鏡置于形成的所述溝槽中，以使所述棱鏡的所述反射面靠近并平行于所述毛細(xì)管的所述內(nèi)表面；光纖夾持板，其覆蓋所述直角棱鏡的所述斜面，并具有兩個用于夾持光纖的孔，所述光纖中的一根連接到光源，另一根連接到光電探測器，連接到所述光源和所述探測器的所述光纖位于所述夾持板上，以便在正常情況下，由所述光源發(fā)射的光在所述棱鏡的所述兩個反射面處經(jīng)歷全內(nèi)反射，并向后耦合至所述連接到所述光電探測器的光纖，從而在希望的點溫度下，由所述光源發(fā)射的光不經(jīng)歷TIR，而是經(jīng)過所述豎直反射面。
在本發(fā)明的一個實施例中，使用的所述液體對光透明。
在本發(fā)明的另一個實施例中，使用的所述液體是異丙醇。
在本發(fā)明的又一個實施例中，所述直角棱鏡的所述底部反射面位于所述豎直反射面的下方。
在本發(fā)明的再一個實施例中，其中所述光纖、所述直角棱鏡以及所述玻璃毛細(xì)管由這樣的介電材料制成，所述介電材料絕緣、無電感、抗腐蝕，并且不受電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)的影響。
在本發(fā)明的再一個實施例中，所述溝槽的下端和上端的位置決定于所述毛細(xì)管內(nèi)部的所述液體在室溫和在所述液體的沸點溫度下的高度。
在本發(fā)明的另一個實施例中，所述溝槽內(nèi)部的所述孔的位置決定于所述液體的熱膨脹和所要監(jiān)測的所述點溫度。
在本發(fā)明的又一個實施例中，使用的所述光纖是單模或多模光纖。
在本發(fā)明的再一個實施例中，其中使用的所述光纖是多模光纖。
在本發(fā)明的一個實施例中，其中使用的所述光電探測器是帶有光功率計的Si-PIN光電探測器。
在本發(fā)明的另一個實施例中，所述光纖夾持板由鋁制成。
在本發(fā)明的又一個實施例中，所述光纖夾持板具有兩個用于夾持所述光纖的孔。
在本發(fā)明的再一個實施例中，所述裝置用于測量30℃到80℃范圍內(nèi)的點溫度，以及所述裝置用作點溫度的光學(xué)接通/關(guān)斷開關(guān)。
在本發(fā)明的又一個實施例中，所述光學(xué)傳感器裝置具有±1℃的精度，以監(jiān)測預(yù)定溫度/設(shè)定點溫度。


圖1表示為了監(jiān)測多種工業(yè)應(yīng)用中液體的點溫度而開發(fā)的光纖光學(xué)傳感器的示意圖。
具體實施例方式
由圖1可以看出，本發(fā)明的裝置包括小尺寸(10mm×10mm×14mm)的全內(nèi)反射棱鏡，其厚度為7mm；兩根多模光纖，一根用于白光光源，另一根用于光電探測器；玻璃毛細(xì)管；以及包含在毛細(xì)管中的異丙醇。該結(jié)構(gòu)的各部分標(biāo)記如下1 蓋2 玻璃毛細(xì)管3 光源光纖
4 探測器光纖5 夾持光纖的鋁板6 全內(nèi)反射棱鏡7 異丙醇任何不與玻璃化學(xué)反應(yīng)的液體，如果其沸點在裝置預(yù)期的特定溫度范圍內(nèi)，都可以用于在本裝置中測量溫度。裝置的有效范圍決定于毛細(xì)管中所取的異丙醇的初始高度。顯然，對于大的范圍，異丙醇在室溫下的初始高度應(yīng)取為較低的值，以及對于較小的溫度范圍，異丙醇應(yīng)取為較高的高度。具體地說，可實現(xiàn)/可獲得的溫度范圍決定于由于熱膨脹引起的異丙醇的高度的增加，直到孔的位置。溫度下限對應(yīng)于異丙醇的較低高度，溫度上限對應(yīng)于異丙醇最終上升達(dá)到的孔的高度，此時，由于棱鏡中TIR過程被阻止，光信號突然下降。將異丙醇取為在室溫下在毛細(xì)管中達(dá)到特定高度，然后將毛細(xì)管的球狀物(包含異丙醇)浸入加熱的水浴中，在30-80℃之間記錄異丙醇在毛細(xì)管中與溫度的升高相對應(yīng)的升高，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)很好的線性。溫度每升高10℃，異丙醇的高度平均升高5mm?？孜挥?0-80℃高度范圍的中點，例如75℃。75℃的這個溫度值對應(yīng)于電變壓器的監(jiān)測溫度，這是本裝置的一個重要且有用的應(yīng)用。
為了使溝槽在毛細(xì)管上適當(dāng)定位棱鏡，在適當(dāng)?shù)拈L度內(nèi)磨削(ground)毛細(xì)管的半圓形壁并使其平滑，以容納將要通過形成良好接觸而在毛細(xì)管的平坦部分上固定的棱鏡表面。不需要較大的毛細(xì)管壁厚度，因為除了斜邊之外的、光首先入射在其上的棱鏡側(cè)面必須靠在在毛細(xì)管上所開溝槽內(nèi)的平坦部分上，并且棱鏡的其它兩個壁/面應(yīng)當(dāng)不與其它表面例如提到的厚毛細(xì)管壁的表面接觸，否則，這樣的設(shè)置將會妨礙光纖(在斜面上)的放置，并且干擾發(fā)生在第二表面上的TIR過程。因此，不需要過厚的毛細(xì)管壁，因為這些壁需要保持垂直，并且它們不會與兩個都是傾斜的棱鏡表面接觸。毛細(xì)管的其它可能的形狀/結(jié)構(gòu)將不允許有效地發(fā)生TIR過程。棱鏡的尺寸很小，重量很輕，并且可方便地利用紫外固化環(huán)氧樹脂將其非常結(jié)實地安裝在毛細(xì)管溝槽中。
為了傳感新的或者不同的點溫度值，不需要替換本裝置，但需要在取下毛細(xì)管的蓋后，根據(jù)將要測量/監(jiān)測的點溫度，適當(dāng)重新設(shè)定異丙醇(傳感液)的初始高度?？蓪惐嫉拿?xì)管球狀物浸入在給定過程中其點溫度將被監(jiān)測的任何液體中。傳感液在毛細(xì)管內(nèi)，因此沒有改變。然而，如果將要改變傳感液，則在不同的傳感液的情況下，裝置的參數(shù)也將改變，例如即使毛細(xì)管中不同液體的初始高度保持相同，根據(jù)它們的熱膨脹特性，在不同溫度下根據(jù)不同的液體應(yīng)達(dá)到給定的孔高度，所以當(dāng)使用不同的傳感液時，本結(jié)構(gòu)的裝置應(yīng)可用于不同的點溫度。
沒有傳輸電信號，而僅有傳輸通過玻璃棱鏡和光纖的光信號，因此不受電信號的存在的影響。
下面給出本傳感器與監(jiān)測液體溫度的常規(guī)方法的比較比較表序號常規(guī)技術(shù)本技術(shù)1 手動自動2 無遠(yuǎn)程監(jiān)測 遠(yuǎn)程監(jiān)測3 大尺寸且易碎緊湊且結(jié)實在本發(fā)明的一個實施例中，確定、開發(fā)并實現(xiàn)了一種基于TIR的光纖光學(xué)傳感器，適用于在過程中監(jiān)測點溫度的具體應(yīng)用。本技術(shù)可容易地自動化地用于原位和遠(yuǎn)程監(jiān)測溫度。
在本發(fā)明的另一個實施例中，安裝在玻璃毛細(xì)管(包含異丙醇)上的全內(nèi)反射棱鏡以及光纖采用本質(zhì)上為絕緣的且無電感的高度耐用材料。傳感信號是由棱鏡和探測光纖傳輸?shù)膹?qiáng)度調(diào)制光的形式。信號傳播是可靠的，沒有任何串?dāng)_或干擾問題。
基于全內(nèi)反射棱鏡的光纖光學(xué)點溫度傳感器包括利用光纖將來自石英鹵素?zé)舻墓怦詈系街苯抢忡R中，以及在光通過液體(異丙醇)橫過棱鏡時，監(jiān)測全內(nèi)反射光信號的調(diào)制，所述液體在玻璃毛細(xì)管中上升并接觸棱鏡表面。在棱鏡表面處發(fā)生的全內(nèi)反射依賴于周圍介質(zhì)的折射率。當(dāng)棱鏡表面外部的空氣被上升的液體(異丙醇)替代時，不滿足TIR的條件，因此光通過棱鏡表面從棱鏡泄漏出去，導(dǎo)致所探測的光信號下降。通過另一根光纖采集全內(nèi)反射信號，該光纖將信號傳輸?shù)絊i光電探測器。由于熱作用，異丙醇在毛細(xì)管中升高，并通過設(shè)置在毛細(xì)管上的孔流出到達(dá)棱鏡表面，由此導(dǎo)致在相應(yīng)的溫度下光信號的變?nèi)酢?br> 利用在直角棱鏡中發(fā)生的光的TIR原理，本光纖光學(xué)傳感器使液體的點溫度的監(jiān)測變得容易。該TIR過程基本上涉及光信號的強(qiáng)度調(diào)制，因此它不受在石油化學(xué)和其它工業(yè)中遇到的惡劣的、危險的、腐蝕性的以及電噪聲環(huán)境的影響。這是因為光纖、棱鏡和毛細(xì)管都由介電材料制成，因此，它們本質(zhì)上都是無電感性和絕緣的，從而使得傳感器不受電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)的影響。而且制成光纖和其它組件的基礎(chǔ)原料—光學(xué)玻璃是非常耐用的，因此它可有效地經(jīng)受在多種應(yīng)用領(lǐng)域中遇到的苛刻的和腐蝕性的環(huán)境。
利用毛細(xì)管、異丙醇和棱鏡，在實驗室中已經(jīng)實現(xiàn)了用于特定的溫度點(75℃)的這種傳感器，所述毛細(xì)管的壁厚為3.35mm，內(nèi)徑為1.0mm，所述棱鏡安裝在由傳感器將要達(dá)到的所關(guān)心的溫度范圍確定的特定位置處在毛細(xì)管中鉆出的直徑典型地為1.0mm的小孔上。對于上述實驗室模型，毛細(xì)管中所取的異丙醇的初始高度保持在60mm，以及在84.5mm的高度處鉆孔，以實現(xiàn)30-80℃的范圍。溫度范圍的上限固定在80℃，因為異丙醇的沸點為82.3℃。該傳感器可用作開關(guān)的特定溫度值取決于室溫下在毛細(xì)管中選定的異丙醇的初始高度。由于溫度的升高，異丙醇在毛細(xì)管中升高，一旦異丙醇接觸到棱鏡表面從而阻止TIR過程發(fā)生并導(dǎo)致探測到的光信號下降，全內(nèi)反射的光功率就發(fā)生瞬間變化。如此設(shè)計傳感器，以使其對于規(guī)定范圍內(nèi)的任何溫度值都可實現(xiàn)，并可用作用于該具體值的光學(xué)接通/關(guān)斷開關(guān)。該傳感器能夠在±1℃內(nèi)監(jiān)測預(yù)先確定/設(shè)定的點溫度，并呈現(xiàn)良好的可重復(fù)的性能。
本傳感器可有利地用于監(jiān)測用于各種科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的液體的溫度。一旦異丙醇到達(dá)某個特定的高度，就可聽到警報或者通過致動器停止過程。
可以通過延長光纖長度遠(yuǎn)程地進(jìn)行溫度監(jiān)測。該裝置是十分耐用且成本有效的裝置，并且過程監(jiān)測操作可以自動化。
因此，本發(fā)明提供了一種用于監(jiān)測液體的點溫度的光纖光學(xué)傳感器。傳感器包括將來自50W的石英鹵素?zé)舻墓怦詈系焦庠垂饫w中，該光源光纖將該光入射到全內(nèi)反射棱鏡的斜面上。棱鏡的該斜面用鋁板覆蓋，用于夾持兩根光纖波導(dǎo)—一根連接到光源，而另一根連接到光電探測器。該光在棱鏡另外兩個棱鏡表面經(jīng)歷TIR，并耦合回到光電探測器光纖，最終被導(dǎo)向到Si PIN光電探測器和光功率計。利用合適的環(huán)氧樹脂將棱鏡安裝于在玻璃毛細(xì)管上切割出的適當(dāng)大小的溝槽中，棱鏡的第一個表面，例如在兩個反射面中首先面對入射光的一個表面，位于在毛細(xì)管中鉆出的小孔上。當(dāng)在孔上固定棱鏡時尤其要注意，以使所用的環(huán)氧樹脂不要堵塞孔本身。毛細(xì)管(長度112.0mm)在其包含異丙醇的底部具有玻璃球狀物(內(nèi)徑14.50mm)，所述異丙醇具有良好的熱膨脹特性。隨著溫度的升高，異丙醇經(jīng)歷熱膨脹并在毛細(xì)管中升高。該液體通過位于毛細(xì)管上的孔出來，導(dǎo)致光從棱鏡泄漏出去，這是因為，隨著由空氣(折射率＝1.0)被異丙醇(折射率＝1.375)替代而引起的棱鏡表面外部的介質(zhì)的折射率增大，不發(fā)生TIR，因此光從該表面泄漏出去而進(jìn)入異丙醇內(nèi)，導(dǎo)致在光電探測器處光信號的突然下降。本溫度傳感器的新穎性設(shè)計特征在于，對于給定的1.0mm的毛細(xì)管內(nèi)徑尺寸和用于固定棱鏡的位置，通過選擇毛細(xì)管中異丙醇的初始基準(zhǔn)高度，可以實現(xiàn)30-80℃范圍內(nèi)的任意溫度值的監(jiān)測，這是一種非常方便簡單的過程。為了實驗和研究的目的，實驗室中實現(xiàn)了用于75℃的溫度開關(guān)，保持關(guān)注監(jiān)測電變壓器的發(fā)熱的特定應(yīng)用，本裝置表現(xiàn)出令人滿意且可重復(fù)的性能。
本發(fā)明的優(yōu)點1.本發(fā)明可用于環(huán)境惡劣、苛刻和存在電噪聲干擾的過程工業(yè)應(yīng)用。
2.本發(fā)明可遠(yuǎn)程監(jiān)測工業(yè)中的液體和溶劑的點溫度，該過程可以是自動化的。
3.一種簡單、成本低、緊湊、重量輕、便攜、結(jié)實和耐用的裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測遠(yuǎn)程和原位反應(yīng)的點溫度的光學(xué)傳感器，所述傳感器包括玻璃毛細(xì)管，具有用蓋封閉的頂端和在底端的球狀物，所述球狀物用于容納具有良好熱膨脹特性的液體，所述毛細(xì)管具有外垂直表面和內(nèi)垂直表面，其中所述外垂直表面具有溝槽，以及在所述溝槽的高度內(nèi)設(shè)置孔；直角棱鏡，其由斜邊、底部反射面和豎直反射面形成，所述直角棱鏡置于形成的所述溝槽中，以使所述棱鏡的所述反射面靠近并平行于所述毛細(xì)管的所述內(nèi)表面；光纖夾持板，其覆蓋所述直角棱鏡的所述斜面，并具有兩個用于夾持光纖的孔，所述光纖中的一根連接到光源，另一根連接到光電探測器，連接到所述光源和所述探測器的所述光纖位于所述夾持板上，以便在正常情況下，由所述光源發(fā)射的光在所述棱鏡的所述兩個反射面處經(jīng)歷全內(nèi)反射，并向后耦合至所述連接到所述光電探測器的光纖，從而在希望的點溫度下，由所述光源發(fā)射的光不經(jīng)歷全內(nèi)反射，而是經(jīng)過所述豎直反射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中使用的所述液體對光透明。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中使用的所述液體是異丙醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述直角棱鏡的所述底部反射面位于所述豎直反射面的下方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述光纖、所述直角棱鏡以及所述玻璃毛細(xì)管由這樣的介電材料制成，所述介電材料絕緣、無電感、抗腐蝕，并且不受電磁干擾/射頻干擾的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述溝槽的下端和上端的位置決定于所述毛細(xì)管內(nèi)部的所述液體在室溫和在所述液體的沸點溫度下的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述溝槽內(nèi)部的所述孔的位置決定于所述液體的熱膨脹和所要監(jiān)測的所述點溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中使用的所述光纖是單?；蚨嗄９饫w。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中使用的所述光纖是多模光纖。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中使用的所述光電探測器是帶有光功率計的Si-PIN光電探測器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述光纖夾持板由鋁制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述光纖夾持板具有兩個用于夾持所述光纖的孔。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述裝置用作特定溫度的光學(xué)接通/關(guān)斷開關(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述裝置用于測量30℃到80℃范圍內(nèi)的點溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器裝置，其中所述光學(xué)傳感器裝置具有約0.01℃的精度，以監(jiān)測預(yù)定溫度/設(shè)定點溫度。
全文摘要
一種用于遠(yuǎn)程監(jiān)測原位反應(yīng)的點溫度的光纖光學(xué)傳感器，基于通過發(fā)生在直角棱鏡中的全內(nèi)反射(TIR)導(dǎo)光的原理，所述直角棱鏡安裝在其中包含異丙醇的玻璃毛細(xì)管上，由于溫度升高，異丙醇上升，接觸棱鏡表面，從而阻止TIR的發(fā)生，導(dǎo)致探測到的輸出光信號下降。
文檔編號G01K1/06GK1886642SQ200380110920
公開日2006年12月27日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者S·C·賈殷, N·辛格, G·C·波達(dá)爾, R·塔瓦爾, A·K·邦塞爾, R·P·巴杰帕伊 申請人:科學(xué)與工業(yè)研究委員會