Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Волоконно-оптические измерители и датчики температуры в современной технике 12
1.1. Области практического использования ВОИТ 12
1.2. Общие требования к характеристикам ВОИД 15
1.3. Принципы построения и классификация современных ВОИДТ 18
1.3.1. Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо 21
1.3.2. Датчики на основе интерферометров Маха-Цендера и Майкельсона 26
1.3.3. Дифракционные датчики 28
1.3.4. Волоконно-оптические датчики температуры на основе объемных дифракционных решеток Брэгга 31
1.3.5. Датчики температуры с полупроводниковым чувствительным элементом 35
1.3.6. Волоконно-оптические пирометры 38
1.3.7. Флуоресцентные датчики 41
1.3.8. Измерение температуры с помощью измерителя на основе фазовых пластин 43
1.3.9. Распределенный датчик на основе регистрации рамановского обратного рассеяния 48
1.3.10. Распределенные волоконно-оптические ВРМБ-датчики 50
1.4. Источники ошибок измерений ВОИТ 56
Глава 2. Температурное изменение рассеяния и светопропускания оптических сред з
2.1. Температурное изменение рассеяния органических (полимерных) материалов 63
2.1.1. Элементы теории рассеяния 65
2.1.2. Рассеяние света при фазовых переходах.
2.2. Температурное изменение пропускания оптических стекол 78
2.3. Природа спектров поглощения твердых растворов 84
2.4. Температурные характеристики растворов химических красителей и индикаторов. 86
Глава 3. Проблемы создания практических устройств ВОИТ 90
3.1. Структура многоканальной системы мониторинга температуры промышленных установок и объектов 90
3.2. Оптоэлектронное приемно-передающее устройство ВОИТ 100
3.3. Пороговый датчик температуры на основе микрокюветы с органическим веществом 105
3.4. ВОИТ на основе пористых стекол, импрегнированных органическими соединениями 107
3.5. Измеритель температуры с непрерывным отсчетом данных на основе растворов химических красителей 110
3.6. Проблемы долговечности и защиты чувствительных элементов ВОИТ от воздействия влаги и агрессивных сред 112
Глава 4. Экспериментальные разработки ВОИТ для работы в условиях влияния сильных электромагнитных помех 116
4.1. Устройство и характеристики ВОИТ порогового типа на основе полимерных материалов 116
4.1.1. ВОИТ, содержащий микро-кювету с веществом с точкой фазового перехода 121
4.1.2. ВОИТ с чувствительным элементом на основе импрегнированного полимером пористого стекла
4.3. ВОИТ на основе растворов химических индикаторов (красителей) 130
4.4. Расчет температурной зависимости пропускания ВОИТ на основе химических индикаторов 136
4.5. Анализ полученных расчетных результатов 139
Заключение 142
Список сокращений и условных обозначений 143
Литература 144
- Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо
- Температурное изменение пропускания оптических стекол
- ВОИТ на основе пористых стекол, импрегнированных органическими соединениями
- ВОИТ с чувствительным элементом на основе импрегнированного полимером пористого стекла
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие волоконно-оптических технологий и их внедрение в
измерительные системы создает целый ряд преимуществ таких систем перед
ранее известными электронными прототипами. Вследствие этого, волоконно-
оптические измерители и датчики (ВОИД) физических полей в последнее время
находят большое практическое применение в самых различных отраслях науки
и техники, в частности, в силовой энергетике, при мониторинге состояния
мощных трансформаторов, функциональных элементов и устройств линий
электропередач, СВЧ-трактов, химических и ядерных реакторов. Измерение
температуры является одним из важных параметров для контроля и
обеспечения безопасности энергетических объектов. Благодаря свойствам света и оптического волокна, волоконно-оптические термометры способны производить измерение температуры в условиях сильных электромагнитных помех с высокими временным и пространственным разрешением и весьма высокой точностью. К настоящему времени известен целый ряд разработок в области ВОИД температуры и усовершенствование таких систем является перспективным направлением в измерительной технике.
Создание информационно-измерительных систем (ИИС) для решения задач контроля температуры устройств силовой энергетики является дорогостоящим с точки зрения экономических расходов на обслуживание и эксплуатацию таких систем. Традиционные измерительные преобразователи (датчики), применяемые в таких ИИС, как правило, требуют электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линии передачи управляющих сигналов. Кроме того, условия эксплуатации ВОИД достаточно жестко ограничены по параметрам окружающей среды, воздействию агрессивных сред, высокого электрического напряжения и электромагнитных помех.
Появление волоконно-оптических измерительных систем коренным
образом повлияло на эту ситуацию и сделало возможным создание
высокоэффективных и экономичных оптико-электронных устройств для
мониторинга объектов инфраструктуры. Низкая стоимость таких систем, по
сравнению с чисто электронными системами, способствовала их широкому
практическому внедрению. ВОИД могут быть полностью пассивными
волоконно-оптическими датчиками, и нередко конструктивно представлять собой фрагмент оптического волновода, чувствительные элементы которых не требуют электрического питания. Степень воздействия условий внешней среды на волоконно-оптические датчики значительно ниже, чем на датчики, использующие электрическое преобразование измерительной информации.
К волоконно-оптическим измерителям и датчикам температуры,
используемым в электроэнергетике, предъявляются следующие требования:
Высокие точность и надежность измерений
Простота и технологичность конструкции
Высокие массогабаритные показатели
Отсутствие металлических элементов
Малая инерционность датчика
Невысокая стоимость.
Известные типы ВОИД температуры, при всех своих достоинствах, нередко отличаются сравнительно большой технической сложностью и дороговизной, препятствующими их широкому практическому внедрению в энергетике.
Целью диссертационной работы является создание компактного и
экономичного волоконно-оптического измерителя (датчика) температуры,
нечувствительного к воздействию внешних электромагнитных помех. В основу
таких измерителей положено температурное изменение светопропускания
оптических прозрачных сред (химических растворов, органических
полимерных материалов, специальных стекол).
Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
1. анализ современного состояния волоконно-оптических измерителей
температуры;
2. исследование и моделирование конструкции волоконно-оптического
датчика температуры, не содержащего металлических и
полупроводниковых элементов;
3. исследование спектральных и температурных характеристик
пропускания чувствительных элементов для волоконно-оптических
датчиков температуры;
4. разработка и изготовление оптико-электронного приемо-передающего
устройства для волоконно-оптического датчика температуры;
5. анализ полученных экспериментальных и теоретических результатов
работы.
Научная новизна диссертационной работы
получены новые данные по спектральным и температурным свойствам пористых стекол, импрегнированных органическими веществами с пороговой зависимостью светорассеяния от температуры;
впервые спроектирован и изготовлен пороговый волоконно-оптический измеритель температуры на основе пористого стекла, пропитанного органическими веществами; новизна данной разработки подтверждена Патентом РФ;
получены новые данные по спектральным и температурным характеристикам пропускания растворов химических индикаторов (бромфеноловый синий, бромтимоловый синий, крезоловый красный) для использования в качестве чувствительного элемента ВОИД температуры;
предложена конструкция волоконно-оптического измерителя температуры на основе светопропускания растворов химических индикаторов (бромфеноловый синий, бромтимоловый синий, крезоловый красный).
Научные положения и результаты, выдвигаемые на защиту:
1. Температурные характеристики светопропускания пористых стекол,
импрегнированных органическими соединениями (анестезином,
трибензиламином), подтверждают эффективность их практического
использования в качестве чувствительного элемента в волоконно-оптическом
пороговом измерителе (датчике) температуры;
2. Температурные зависимости светопропускания в диапазоне длин волн 550-
700 нм растворов химических индикаторов (бромфеноловый синий,
бромтимоловый красный, крезоловый красный) подтверждают эффективность
использования таких растворов в качестве чувствительного элемента в ВОИД с
непрерывным измерением температуры в диапазоне 20-100 С;
3. Создан волоконно-оптический пороговый измеритель температуры,
чувствительный элемент которого представляет собой микрокювету,
заполненную анестезином, нечувствительный к воздействию внешних
электромагнитных помех.
4. Создан волоконно-оптический пороговый измеритель температуры на основе
пористого стекла, импрегнированного трибензиламином, нечувствительный к
воздействию внешних электромагнитных помех.
Практическая ценность и использование полученных результатов
Научные и практические результаты диссертационной работы найдут применение при создании волоконно-оптических измерительных систем, нечувствительных к влиянию сильных электрических и магнитных помех, для мониторинга состояния температуры энергетических объектов. Научные результаты, полученные в диссертационной работе, полезны в учебном процессе технических ВУЗов, при создании современных курсов лекций по направлениям 12.04.05 «Лазерная техника и лазерные технологии» и 16.04.01 «Техническая физика».
Личный вклад автора
Разработка и изготовление экспериментального стенда для измерения спектральных, в диапазоне длин волн 550-700 нм и на длине волны гелий-неонового лазера (633 нм), и температурных характеристик (20-100 С) пропускания растворов химических индикаторов и импрегнированных органическими материалами пористых стекол. Расчет спектральных, в диапазоне 550-700 нм, и температурных зависимостей пропускания выбранных типов растворов химических индикаторов. Изготовление волоконно-оптического порогового датчика температуры на основе пористого стекла пропитанного трибензиламином. Создание оптоэлектронного приемно-передающего устройства для волоконно-оптических датчиков температуры порогового типа.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы обсуждались на Международной
научно-технической конференции "Инновационные решения для обеспечения
качества изготовления и надёжности эксплуатации измерительных
трансформаторов тока и напряжения" ПЭИПК (Санкт-Петербург, 21-23 ноября 2011 года), XLI научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 31 января - 3 февраля 2012 года), I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, апрель 2012 года), XLII научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 30 января 2013 года), II всероссийском конгрессе молодых ученых, СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, апрель 2013 года), ХLIII научной и учебно-методической конференций СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, март 2014), III Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, апрель 2014); Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики – 2014» (Санкт-Петербург, 20-24 октября 2014 года), XLIV научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 5 февраля 2015), IV Международной конференции по фотонике и информационной оптике 2014 года, НИЯУ МИФИ (Москва, 29 января 2015 года).
Публикации
Полный перечень публикаций по теме диссертационной работы включает 9 научных статей, три из которых опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК, и 4-х тезисах докладов на конференциях. По разработкам в ходе диссертационной работы получен патент РФ № 2527308 на изобретение «Волоконно-оптический измеритель температуры».
Структура и объём диссертации: диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, Списка сокращений и условных обозначений, Литературы и Приложения. Общий объем диссертации составляет 168 страниц, 86 рисунков, 6 таблиц, список цитированной литературы содержит 100 наименований.
Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо
Современный уровень производства предъявляет высокие требования к ВОИД температуры: точностные характеристики, возможность стабильной работы при длительной эксплуатации в условиях измерения температуры на производстве, помехозащищенности и защите от внешнего воздействия и агрессивных сред.
Если сравнивать ВОД и стандартные электронные датчики (ЭД), то у ЭД есть свои недостатки. Если устанавливать ЭД на контролируемом объекте (в бетон гидротехнических плотин и мостов, в пилоны и стены высотных зданий и т. п.), то при длительной эксплуатации существует практическая трудность их периодической калибровки, а именно метрологической поверке. Современные интеллектуальные оптические датчики обладают функцией метрологического самоконтроля (ФМСК), что позволяет производить самокалибровку ВОИД в реальном времени без остановки контролируемых процессов и без поверочных эталонов. В последнее десятилетие реализованы многие варианты подобных применений современных оптических датчиков и систем в экстремальных условиях атомной, нефтегазовой и авиакосмической отраслях, в судостроении, в гидротехнике, в энергетике, в строительных сооружениях, в военных и стихийных чрезвычайных ситуациях [5-7].
Сравнение точностных характеристик и диапазонов измерения ЭД и ВОД в экстремальных условий приведено в таблице 1. Таблица Параметр Порог чувствительности Диапазон измерения ЭД ВОД ЭД ВОД Деформация, м 10-4 10-9 5000 15000 Давление, Па (7-10)-4 10-6 (2-10)8 (6-10)8 Температура, С 10-4 10-8 1800 2300 Жесткие условия эксплуатации ВОД, например, в скважинах (экстремальные по параметрам, горючие, агрессивные и абразивные среды) или энергетических установках (напряжения и поля, сверхвысокие токи и разряды, ионизирующее излучение) фактически относятся к обычным рабочим условиям ВОИД [8, 9]. ВОД температуры, как и ЭИ стандартизованы, соответствующие требования указаны в следующих нормативных и технических документах: 1) ГОСТ 8.558-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры»; 2) ГОСТ Р 52931-2008 «Приборы контроля и регулирования технологических процессов. Общие технические требования»;
Для ВОИТ существуют разработанные нормативные и технические документы, относящиеся к оптическим измерениям, и для аттестации таких измерительных приборов используется государственная поверочная схема, как для средств измерений длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем связи и передачи информации (ГОСТ 8.585-2005).
Общие требования к характеристикам измерителей температуры предъявляются российскими (ГОСТ Р) и межгосударственными стандартами (ГОСТ) и, как правило, они не имеют срока действия. Приняты следующие российские и межгосударственные поверочные стандарты распространяющиеся на датчики и измерители температуры: -термометры сопротивления и ампулы реперных точек МТШ-90, -термоэлектрические термометры (термопары), -стандарты на пирометры, температурные лампы и тепловизионные приборы, -термометры манометрические и биметаллические, -термометры жидкостные стеклянные, -термометры других типов, измерительные преобразователи, регуляторы и сигнализаторы, -температурные шкалы и поверочные схемы, -комплекты термометров для измерения разности температур в составе приборов учета количества теплоты.
Поверка любого измерителя температуры производится с помощью высокоточного платинного термометра сопротивления (ПТС) по методу реализации температур реперных точек. ПТС – основной интерполяционный прибор международной температурной шкалы МТШ-90. При этом присутствует неопределенность реализации температур реперных точек.
Отсутствие повторяемости показаний ПТС и ограниченная долговременная стабильность, вытекающая из свойств платины и конструкции термометров, не учитывается в неопределенностях состояния. Наиболее изученными процессами являются окисление поверхности платины и закалка вакансий кристаллической решетки при быстром охлаждении от высоких температур. Для учета этих процессов были выработаны специальные рекомендации, позволяющие повысить воспроизводимость относительных сопротивлений. Влияют на стабильность ПТС также возникновение дефектов и дислокаций в платине, рост зерна в структуре платиновой проволоки, загрязнение платины примесями, диффундирующими через кварцевую оболочку термометра, электрические утечки через изоляционные материалы чувствительного элемента.
Технические требования для ВОИДТ обусловлены уровнем производства. С ростом производственных мощностей растет спрос на измерительные системы, обладающие высокой надежностью и точностью. Особо крупные производственно-энергетические системы предъявляют дополнительные требования к помехозащищенности измерительных систем, защите от воздействия различных агрессивных сред. Решающую роль в выборе и установке измерительной системы на производстве будут иметь ВОИДТ, которые имеют оптимальное отношение цена/качество. Как правило, это недорогие и эффективные по принципу действия системы [10].q
Температурное изменение пропускания оптических стекол
Зависимость s(r) показана различными модельными теориями среднего поля. Однако результаты не каждой теории совпадают с экспериментальными данными, как при использовании в (23) зависимости е(г) в виде Клаузиуса -Моссотти формулы. Наилучшее согласие с опытными данными даёт выражение рдє/др = Зє(є - \)/(2є +1) (24)
Движение частиц в жидкостях более сложное, в отличие от газов, и носит массовый характер. Это определяет особенности временной эволюции флуктуации и проявляется в спектрах неупругого рассеяния света в жидкостях. Наиболее интенсивное рассеяние света можно наблюдать на больших флуктуациях с малыми затуханиями, например, на упругих волнах, вызванными соответствующими неоднородностями показателя преломления. Это неупругое рассеяние, называемое вынужденным рассеянием Мандельштама - Бриллюэна (ВРМБ). В результате рассеяния лазерного излучения получается спектр, который состоит из несмещённой рэлеевской линии и дублета линий Мандельштама -Бриллюэна, симметрично удалённых от рэлеевской на величину Асо, зависящую от скорости v упругой волны и угла рассеяния 9: Асо = со-со =±2ф/фт6/2. (25) При рассеянии излучения в жидкостях выделяют близкую к рэлеевской линии спектральную область fAw/с 1 см-1) тонкой структуры: до 100 - 150 см-1 -близкую область рэлеевской линии и далёкую область, спектр которой определяется внутримолекулярными движениями. Рисунок 2.6. Спектры рассеяния ВРМБ в СС14 для разных углов рассеяния.
На Рисунке 2.6 тонкая структура имеет вид триплета. Такая форма вызвана: изоэнтропийными флуктуациями (звуком), вызывающие в спектре дублет Мандельштама - Бриллюэна, и изобарическими флуктуациями (релеевская компонента). Уравнение I lI s=(c ,-cу)/c принадлежит Ландау - Плачеку и точно описывает тонкую структуру; интенсивность центральной компоненты делится на сумму боковых компонент, а ср и сv являются изобарической и изохорической теплоёмкостью.
В плотных газах одночастичные и коллективные флуктуации плотности влияют на форму спектра в зависимости от угла рассеяния, но с условием, что длина свободного пробега молекул / l. Если sin#2 l/Z, то линия имеет гауссову форму, как и в разреженных газах, с шириной, определяемой эффектом Доплера. При sina/2 = 1/2/ начинает формироваться триплет, который при sin 1/Z становится таким, как в жидкостях. Особенности рассеяния света вблизи критической точки (критическое рассеяние света.) объясняется ростом флуктуации плотности и увеличением их размера 1С. Так, теория Орнштейна - Цернике даёт выражение для коэффициента рассеяния на изотропных молекулах в плоскости, перпендикулярной плоскости колебаний падающей волны: Rn=2R /0 в ж/2 (26) где Rv/2 определено выражением (23) с = 0. В критической точке Ът интенсивность рассеяния определяет, R »ЯГ2 sm 2в/2, какой будет угол острого рассеяния вперёд, а также дисперсию, отличную от рэлеевской. Область, в которой проявляется критическое рассеяние света, занимает интервал = 1К около критической точки. В ближайшей её окрестности рассеяние света описывается теорией критических показателей RQ »(l + cos 26 )(/lsin6 /2)_1 96 [41-43]. Критическое рассеяние света наблюдается и в других системах: растворах полимеров, жидких кристаллах, твёрдых телах и др., в которых при фазовых переходах резко возрастают флуктуации поляризации сред.
Рассеяние света в твёрдых телах существенно отличается от рассеяния в жидкостях или растворах, что связано с большим разнообразием слабозатухающих флуктуации в виде упругих волн.
В аморфном твёрдом теле молекулы расположены беспорядочно, а центральная компонента спектра рэлеевской линии очень узка, из-за медленно протекающих диффузных процессов. В спектрах рассеяния света в кристаллах центральная компонента практически исчезает [44].
ВОИТ на основе пористых стекол, импрегнированных органическими соединениями
Интеллектуальные ВОД обладают информационной загруженностью: обусловленной переменой выходного сигнала Us как от изменения внешней измеряемой физической величины G, так и от изменения длины волны оптического излучения Х0. Структурная насыщенность интеллектуальных ВОД предельно мала и сводится к использованию стандартных подстраиваемых оптико-электронных элементов (излучателей или фильтров). В измерительных системах с интеллектуальными ВОД используется постоянное считывание параметров оптического излучения, при условии малого значения градиента изменения измеряемой физической величины во времени, каждую секунду создается текущий массив данных измерений, который сравнивается с хранимыми в памяти микроконтроллера калибровочными данными [57].
В системах мониторинга с большим количеством датчиков (при числе датчиков более 1000, сигнал от которых проходит по одному оптическому кабелю) применяется комбинированный спектрально-временной способ разделения сигналов от датчиков [58]. Каждый ВОД системы мониторинга имеет свою рабочую длину и частоту, поэтому местоположение на объекте автоматически точно определяется системой. ВОИД температуры для мониторинга газопроводов входит в общую волоконно-оптическую систему мониторинга (ВОСМ) физических параметров, которая позволяет эффективно объединить традиционные методы с новыми информационно-измерительными технологиями, и круглосуточно, всепогодно, обладая высокой стабильностью к помехам, формировать оперативные данные о техническом состоянии трубопроводной обвязки компрессорных станций, энергетических объектам. ВОСМ позволяет определить остаточный ресурс участков трубопроводов и свести к минимуму затраты на его обслуживание и ремонт газотранспортной системы. Опыт использования ВОД в газовой отрасли России показал, что высокая устойчивость к электромагнитным помехам и дистанционный постоянный доступ к множеству датчиков - является одними из главных преимуществ ВОСМ, что позволяет уменьшить коэффициент аварийности (количество аварий на 1000 км трубопроводов в год) от 0,8до 2,0 %.
Из-за высокой потенциальной опасности хранения отработанного ядерного топлива (ОЯТ), требуется осторожное обращения с ним в течение всего ядерного топливного цикла — от производства до конечного захоронения. Одними из главных требований систем мониторинга хранилищ ОЯТ являются высокая эффективность, низкие расходы на содержание, надежность, высокая точностью и устойчивостью ко всевозможным механическим и магнитным воздействиям в радиационной обстановке. Важные для безопасности хранилища ОЯТ ряд параметров можно проверять с помощью оптических датчиков. Сенсоры для измерения деформации, смещения, температуры и влажности вместе с мультиплексорами и контроллером помещают на глубине до 1000 м. На данной глубине рабочая температура составляет около +40 C. Конфигурация экспериментальной ВОСМ хранилища ОЯТ приведена на Рисунке 3.7.
Полная функциональная схема ВОСМ хранилища ОЯТ показана на Рисунке. 3.8. На Рисунке 3.9 представлена волоконно-оптическая сеть для мониторинга безопасности хранилища ОЯТ. В трех скважинах размещены датчики деформации, температуры и влажности. Датчики деформации закреплены вокруг поперечного сечения выработки для проверки изменения геометрии полости. Через соответствующий блок мультиплексирования все измеренные данные накапливаются на сервере, который может быть подключен к шине передачи данных.
Основой для оценки эксплуатационной безопасности хранилища ОЯТ по данным сечениям является мониторинг деформации. В это же время происходит контроль изменений температуры в разных местах: проверяются данные моделирования материалов пород хранилища на основе термомеханических уравнений.
ВОИТ с чувствительным элементом на основе импрегнированного полимером пористого стекла
Формулы (39), (40) образуют алгоритм расчета нулевого луча через одну поверхность, кривизна которой p, относительный показатель преломления , расстояние от предыдущей поверхности d. Такая рекуррентная запись позволяет легко организовать циклический процесс расчета луча в системе световод-кювета-световод. Перед началом расчета необходимо определить координаты луча на начальной поверхности, предшествующей первой
поверхности системы (стенки кюветы) и находящейся на некотором расстоянии d от нее (входные координаты луча), а затем организовать циклическое использование рекуррентных формул (39), (40), перебирая в качестве кривизны p, относительного показателя и расстояния d соответствующие значения для всех поверхностей системы. На Рисунке 4.6 показан алгоритм расчета нулевого луча, идущего из бесконечности, с входными координатами h = 1; = 0; d = 0.
Третий этап - расчет коэффициента пропускания системы, равного отношению числа лучей, прошедших через систему и направляемых в выходной световод, к общему числу лучей, выходящих из входного световода. Расстояние между световодами и кюветой меняется (d1 и d5) от 0 до 3 мм, d2 и d4 = 0.2 мм, d3 = 1.6 мм, внешний радиус кюветы r = 1 мм, внутренний радиус кюветы r = 0.8 мм. Предполагается, что световоды и кювета идеально центрированы. «Световые лучи на входе и выходе рассматриваемых световодов находятся в пределах числовой апертуры (0,36) используемого многомодового оптоволокна. Данный алгоритм рассчитывает ход лучей в N аксиальных (проходящих через оптическую ось) плоскостях падения лучей на сечение световода.» [96]
Расчеты оптических потерь в датчике показывают, что минимальные потери на пропускание ВОПД достигаются при прямом контакте плоских торцов подводимых световодов и поверхности кюветы, выполняющей роль фокусирующей цилиндрической линзы. При этом внешний диаметр микрокюветы может в несколько раз превышать диаметр сердцевины оптоволокна, и минимальные практически достижимые оптические потери в датчике составляют 1-3 дБ. На Рисунке 4.7. показан расчет коэффициента пропускания оптической системы ВОПДТ с различными диаметрами сердцевины световодов и кюветы.
Физические параметры использованных в данной работе образцов ПС, изготовленных в ИХС РАН, и рабочих веществ приведены в таблице 6. Пропитка пластин ПС осуществлялась их погружением в расплавы анестезина и трибензиламина на 1 ч при температурах, на 5 – 10 С выше температур их плавления. Адсорбция в порах ПС определялась с помощью анализатора текстурных характеристик Сорбтометр-М фирмы ЗАО «КАТАКОН» (Россия). Были получены равновесные изотермы адсорбции и десорбции азота при температуре жидкого азота 77 К. Из интегральных равновесных изотерм адсорбции - десорбции по методу БЭТ автоматически построены дифференциальные кривые распределения пор по размерам; из кривых определены средние значения диаметров пор, указанные в таблице 6. Общую пористость образцов определяли весомым методом (по разности массы образцов влагонасыщенного и высушенного при 120 С) Относительная погрешность определения структурных характеристик ПС находится в пределах ±(510)%.
Спектральные характеристики пропускания изученных образцов ПС, полученные с использованием спектрометра ФЛЮОРАТ-02-ПАНОРАМА, ПРИЛОЖЕНИЕ Ж, и спектрометра с кругом Роуланда, показаны на Рисунке 4.8 и Рисунке 4.9. Нагревание образцов ПС производилось в струе горячего воздуха с контролем температуры воздуха посредством термопары.
При анализе спектральных характеристик ПС (Рисунок.4.8) учитывали, что рассеяние излучения в ПС обусловлено наличием страт, представляющих собой отложения вторичного кремнезема в виде геля с повышенной плотностью и показателем преломления, и других неоднородностей, таких как ликвационные каналы и поры. В зависимости от размеров, формы и распределения неоднородностей возможны различные типы рассеяния света. Наиболее подробно изучено релеевское рассеяние, когда размеры фазовых неоднородностей существенно меньше длины волны падающего излучения.q