Градуировка и измерение температур в расплавах посредством оптических волокон

Изобретение относится к способу градуировки сигналов измерений, полученных с использованием оптических волокон, и состоит в том, что на одном конце оптического волокна находится эталонное вещество с известной реперной температурой, что эталонное вещество нагревают, по меньшей мере, до его реперной температуры, что сигнал, поступивший в волокно при достижении реперной температуры, подают в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала и сравнивают в нем с теоретическим значением для реперной температуры, а разность используют для градуировки. Кроме того, изобретение относится к соответствующему устройству и также к его использованию для градуировки или для определения затухания в оптическом волокне. Технический результат - создание усовершенствованного способа балансировки сигналов измерений и соответствующего устройства для реализации способа. 4 н. и 12 з.п. 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу калибровки сигналов измерения, которые получены посредством оптических волокон, а также к соответствующему измерительному устройству. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу измерения температуры в расплавленных массах (расплавах) посредством оптических волокон, а также к измерительному устройству и к его использованию. Здесь под термином "расплавы" подразумевают не только расплавы чистых металлов, например, железа, меди или стали, либо сплавов, но также и расплавы криолита, расплавы солей или расплавы стекла.

Подобные устройства являются известными из уровня техники, например, из опубликованной заявки DE 19934299 А1 на патент Германии. В ней для калибровки измерительной системы использован детектор излучения, а для измерения излучения, испускаемого источником излучения, использован второй детектор излучения.

Известен способ калибровки датчиков температуры, например, из опубликованной заявки GB 2155238 А на патент Великобритании и из опубликованной заявки DE 19532077 А1 на патент Германии. В нем для калибровки использовано эталонное вещество, изолированное от наконечника термоэлемента. Это необходимо для обеспечения беспроблемного функционирования термоэлемента и для предотвращения его разрушения. Такие факторы, оказывающие разрушающее действие, описаны, например, в патенте США № 3499310. В нем в явной форме раскрыто, что термоэлемент защищен от химических реакций с эталонным веществом, например, слоем покрытия.

Другие устройства раскрыты, например, в патенте Японии JP 63-125906, в патенте США № 4576486 и в патенте США № 5364186.

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа балансировки сигналов измерений и соответствующего устройства для реализации способа, которое является простым и надежно функционирующим.

Согласно настоящему изобретению эта задача решена посредством способа, в котором на одном конце оптического волокна находится эталонное вещество с известной реперной температурой, в котором эталонное вещество нагревают, по меньшей мере, до его реперной температуры, в котором сигнал, поступивший в волокно при достижении реперной температуры, подают в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала и сравнивают в нем с теоретическим значением для реперной температуры, а разность используют для градуировки. В частности, конец оптического волокна с эталонным веществом может быть погружен в расплавленный металл, например, в расплавленный чугун или в расплавленную сталь, и нагрет в нем. В принципе, прием сигнала выполняют известным способом, в котором, в частности, осуществляют преобразование калибровочного сигнала из значения электрического напряжения в значение температуры, а затем сравнивают его с теоретическим значением для реперной температуры. Здесь эталонное вещество размещено непосредственно на конце оптического волокна, то есть без изолирующих приспособлений между волокном и эталонным веществом, которые являются необходимыми согласно предшествующему уровню техники.

Согласно одному аспекту изобретения предусмотрен способ калибровки сигналов измерений и для измерения температуры в расплаве с помощью оптических волокон, содержащий следующие этапы: размещают эталонное вещество с известной реперной температурой на одном конце оптического волокна, погружают оптическое волокно с эталонным веществом на одном конце оптического волокна в расплав, подлежащий измерению, для нагревания эталонного вещества, по меньшей мере, до его реперной температуры, при этом указанная реперная температура эталонного вещества меньше температуры плавления сплава, подлежащего измерению, при этом сигнал, поступивший в волокно при достижении реперной температуры, подают в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала и сравнивают сигнал с теоретическим значением для реперной температуры в указанном измерительном устройстве, а разность, полученную при сравнении, используют для градуировки и после градуировки удерживают оптическое волокно погруженным в сплав, подлежащий измерению, и оценивают полученный оптический и/или электрический сигнал в качестве значения температуры сплава.

Кроме того, в способе осуществляют преобразование калибровочного сигнала из значения электрического напряжения в значение температуры, а затем сравнивают его с теоретическим значением для реперной температуры.

При этом согласно способу создают вибрации на указанном конце оптического волокна, по меньшей мере, периодически, а для калибровки осуществляют определения затухания в оптическом волокне.

Согласно аспекту изобретения предусмотрено устройство для балансировки сигналов измерений и для измерения температуры сплава с помощью оптических волокон, содержащее: оптическое волокно, держатель для волокна, измерительное устройство, соединенное с первым концом оптического волокна для приема сигнала, испускаемого оптическим волокном, при этом на втором конце оптического волокна находится эталонное вещество с известной реперной температурой, при этом измерительное устройство снабжено компаратором для сравнения сигнала, принятого волокном при реперной температуре эталонного вещества и поданного в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала, и сигнала, соответствующего теоретическому значению для реперной температуры, при этом предусмотрено устройство оценки для вывода и/или обработки разности, полученной из компаратора для калибровки, и дополнительно предусмотрено устройство оценки для оценки принятого оптического и/или электрического сигнала в качестве значения температуры сплава, при этом первый конец оптического волокна приспособлен для погружения в сплав.

В указанном устройстве эталонное вещество, по меньшей мере, частично покрывает первый конец оптического волокна, по меньшей мере, на одной его торцевой поверхности, при этом эталонное вещество расположено сбоку вдоль первого конца оптического волокна.

При этом в устройстве, по меньшей мере, часть первого конца оптического волокна имеет свободную поверхность.

Кроме того, эталонное вещество сформировано в виде компактной массы, в виде проволоки, в виде проволочной сетки или в виде трубки.

Кроме того, в устройстве согласно изобретению оптическое волокно соединено с вибратором, а компаратор приспособлен для определения затухания в оптическом волокне.

При этом следует отметить, что согласно настоящему изобретению измерение температуры состоит в следующем: после или во время процесса калибровки согласно настоящему изобретению оптическое волокно погружают в расплав и полученный оптический сигнал расценивают как значение температуры расплава. Вследствие близости по времени к процедуре калибровки возможно производить измерения температуры с высокой степенью точности. Перед каждым измерением температуры возможно выполнять калибровку без дополнительных затрат. В частности, целесообразно, чтобы реперная температура эталонного вещества была меньшей, чем температура плавления расплава. Кроме того, полезно, чтобы эталонное вещество было погружено в измеряемый расплав и нагрето в нем до реперной температуры эталонного вещества, а измерение температуры расплава было произведено после этого.

Целесообразно, чтобы в качестве оптического волокна было использовано кварцевое стекло и/или сапфир, поскольку в этом случае измерение может быть выполнено в расплавах при высоких значениях температуры. Кроме того, полезно, чтобы в качестве оптического волокна была использована комбинация из пластмассового волокна и/или волокна из кварцевого стекла с сапфиром. Также возможна комбинация из пластмассового волокна с кварцевым стеклом.

Для предотвращения переохлаждения расплава, например, во время охлаждения, могут быть созданы вибрации на конце волокна, находящегося в контакте с эталонным веществом. Вибрации формируют, по меньшей мере, периодически, в предпочтительном варианте осуществления изобретения - во время охлаждения расплава.

Способ согласно настоящему изобретению может быть использован для калибровки или для определения затухания (ослабления) в оптическом волокне.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ калибровки сигналов измерений с помощью оптических волокон, содержащий следующие этапы, при которых: размещают эталонное вещество с известной реперной температурой на одном конце оптического волокна, нагревают эталонное вещество по меньшей мере до его реперной температуры, при этом сигнал, поступивший в волокно при достижении реперной температуры, подают в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала и сравнивают сигнал с теоретическим значением для реперной температуры в указанном измерительном устройстве, и дополнительно создают вибрации конца оптического волокна, по меньшей мере, периодически.

Согласно следующему аспекту изобретения предусмотрено устройство для балансировки сигналов измерений, содержащее: оптическое волокно, держатель для волокна, измерительное устройство, соединенное с первым концом оптического волокна для приема сигнала, испускаемого оптическим волокном, при этом на втором конце оптического волокна находится эталонное вещество с известной реперной температурой, при этом измерительное устройство снабжено компаратором для сравнения сигнала, принятого волокном при реперной температуре эталонного вещества и поданного в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала, и сигнала, соответствующего теоретическому значению для реперной температуры, при этом предусмотрено устройство оценки для вывода и/или обработки разности, полученной из компаратора для калибровки, при этом оптическое волокно соединено с вибратором.

При этом реперной температурой может являться температура плавления чистого металла, если такое вещество используют в качестве эталонного вещества. При использовании сплавов как эталонного вещества в качестве реперной температуры может быть использована, например, температура ликвидуса, температура солидуса или эвтектическая точка. Согласно закону Планка возможна экстраполяция калибровочных кривых по диапазону температур свыше 500°С. Например, при использовании серебра в качестве эталонного вещества калибровка может быть реализована, соответственно, при температуре 961,8°С, в силу чего высокие степени точности измерений могут быть достигнуты даже в расплавленном чугуне при температуре приблизительно 1550°С.

Согласно настоящему изобретению устройство для балансировки сигналов измерений содержит оптическое волокно, держатель для волокна и измерительное устройство, соединенное с оптическим волокном для приема сигнала, выходящего из оптического волокна, и отличается тем, что на одном конце оптического волокна (непосредственно) находится эталонное вещество с известной реперной температурой, и тем, что измерительное устройство снабжено компаратором для сравнения сигнала, принятого из волокна при реперной температуре эталонного вещества и поданного в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала, и сигнала, соответствующего теоретическому значению для реперной температуры, и имеется устройство оценки для вывода и/или обработки разности для градуировки. За счет размещения эталонного вещества непосредственно на конце оптического волокна может быть достигнута высокая степень точности измерений при простоте конструкции.

Задача решена для устройства, предназначенного для измерения температуры в расплавах с использованием оптических волокон, в котором устройство балансировки согласно настоящему изобретению имеет погружной конец для погружения оптического волокна в расплав и содержит устройство оценки, служащее для оценки принятого оптического и/или электрического сигнала как значения температуры.

Для устройства целесообразно, чтобы эталонное вещество, по меньшей мере, частично покрывало конец оптического волокна, по меньшей мере, на его торцевой поверхности и/или чтобы эталонное вещество было расположено вдоль конца оптического волокна, поскольку за счет этого обеспечивают возможность оптимального приема сигнала. Кроме того, полезно, чтобы, по меньшей мере, часть конца оптического волокна имела свободную поверхность для приема излучения. В частности, целесообразно, чтобы эталонное вещество было сформировано в виде компактной массы, в виде проволоки, в виде проволочной сетки или в виде трубки и чтобы оптическое волокно было сформировано из кварцевого стекла и/или сапфира. Кроме того, может быть целесообразным вариант осуществления, в котором оптическое волокно содержит комбинацию из пластмассового волокна и/или волокна из кварцевого стекла. Также возможна комбинация из пластмассового волокна с кварцевым стеклом.

Для предотвращения переохлаждения расплава оптическое волокно, или его держатель, или направляющая волокна снабжены вибратором. Этим вибратором может быть вызвана вибрация волокна, в особенности конца волокна, контактирующего с эталонным веществом.

Согласно настоящему изобретению это устройство используют для калибровки или для определения затухания в оптическом волокне (и, следовательно, потерь при распространении). В этом случае термин "балансировка" означает калибровку или определение затухания.

Ниже приведено более подробное объяснение настоящего изобретения со ссылкой на пример варианта его осуществления. На чертежах изображено следующее:

на фиг.1 изображена схема устройства измерения,

на фиг.2 подробно изображено оптическое волокно в разрезе,

на фиг.3 изображено устройство измерения или калибровки согласно настоящему изобретению в поперечном разрезе через погружной конец и

на фиг.4 показана кривая измерений.

Оптическое волокно 1 присоединено одним концом к измерительному устройству 2. Держатель может содержать картон или иной материал, например сталь или керамику. Измерительное устройство 2 регистрирует сигналы, выводимые наружу оптическим волокном 1, и оснащено оборудованием, осуществляющим сравнение сигнала с теоретическим эталонным значением. Таким образом, значение, сформированное из эталонного вещества 3, находящегося на другом конце оптического волокна 1, сравнивают с теоретическим эталонным значением, например, с реперной температурой, запомненной в измерительном устройстве 2. Возможную разность между двумя значениями используют для градуировки измерительного устройства. Следовательно, измерительное устройство 2 содержит устройство оценки для вывода и/или обработки данных. В том случае, когда в качестве эталонного вещества 3 используют чистый металл, например серебро, то в качестве реперной температуры используют температуру плавления металла, например, серебра, равную 961,8°С.

Держатель 4 удерживает оптическое волокно 1, и этот держатель служит в качестве его направляющей. Для обеспечения свободной подвижности оптического волокна 1 его вводят в измерительное устройство 2 через петлю 5. Эталонное вещество 3, расположенное на одном конце оптического волокна 1, погружено в расплавленный металл 6 (например, внутри плавильной печи). Расплавленным металлом 6 является, например, расплавленный чугун или расплавленная сталь. Эталонным веществом 3 в этом случае является, например, серебро. Реперной температурой является температура плавления серебра. Она является меньшей, чем температура плавления расплавленного чугуна или расплавленной стали. Конец оптического волокна 1 с эталонным веществом 3 погружен в расплавленный металл 6 при помощи держателя 4. Там сначала происходит нагрев эталонного вещества 3 до его температуры плавления. Таким образом, сигнал, поданный через оптическое волокно 1 в измерительное устройство 2, сравнивают с соответствующим теоретическим значением сигнала и таким способом производят калибровку измерительного устройства 2. После плавления эталонного вещества 3 происходит его дополнительный нагрев до фактической температуры плавления расплавленного металла 6. Производят оценку сигнала, поданного таким способом оптическим волокном 1 в измерительное устройство 2, например, путем преобразования в соответствующее температуре значение электрического сигнала, и производят его дополнительно обработку в измерительном устройстве 2. Электрический сигнал может быть преобразован в оптически отображаемое значение температуры. Таким образом, сначала осуществляют калибровку измерительного устройства 2, а затем измеряют фактическую температуру расплавленного металла 6. На фиг.4 показан график кривой температуры, полученный в течение этих последующих операций обработки. Здесь значением, достигнутым на первом пологом участке, является температура плавления эталонного вещества 3 (серебра), а следующим значением на пологом участке является температура расплавленного металла 6. На держателе 4 жестко установлено вибрационное устройство, которое на чертежах не показано. Такие вибрационные устройства известны, например, из заявки DE 4433685 А1 на патент Германии.

На фиг.2 показано поперечное сечение конца оптического волокна 1, предназначенного для погружения в расплавленный металл. Оптическое волокно 1 имеет оплетку (оболочку) 7 и сердцевину 8. На своем конце оптическое волокно 1 окружено как сбоку, так и с торцевой поверхности эталонным веществом 3. Эталонное вещество 3 удерживают способом, общеизвестным для специалиста в данной области техники. Удержание реализовано, например, способом, показанным на фиг.3, внутри кварцевой трубки 9, которая является глухой с одного конца и которая окружает собой погружной конец оптического волокна 1 с эталонным веществом 3. Оптическое волокно 1 здесь проведено через керамическую трубку 10, например, из материала "Alsint". Керамическая трубка 10 закреплена посредством клея, например клея 14 на основе L1S102, в двух дополнительных керамических трубках 11, 12, расположенных концентрически. Эти керамические трубки могут быть также выполнены из материала "Alsint". Керамические трубки 10, 11, 12 неподвижно закреплены на контактном блоке 13, через который проведено оптическое волокно 1. Контактный блок 13 соединен с трубкой 4 держателя (на фиг.3 не показана). Здесь керамическая трубка 12 неподвижно закреплена в открытом конце трубки 4 держателя, например, посредством клея. Отверстия на конце керамической трубки 12 закрыты клеем 14, 15. Внутри керамической трубки 11 также может быть использован клей 16 для закрепления расположенных в ней элементов. Между прочим, контактный блок 13 с его соединительной деталью 17 служит также в качестве оптического соединения.

1. Способ калибровки сигналов измерений и для измерения температуры в расплаве с помощью оптических волокон, содержащий следующие этапы: размещают эталонное вещество с известной реперной температурой на одном конце оптического волокна, погружают оптическое волокно с эталонным веществом на одном конце оптического волокна в расплав, подлежащий измерению, для нагревания эталонного вещества, по меньшей мере, до его реперной температуры, при этом указанная реперная температура эталонного вещества меньше температуры плавления сплава, подлежащего измерению, при этом сигнал, поступивший в волокно при достижении реперной температуры, подают в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала и сравнивают сигнал с теоретическим значением для реперной температуры в указанном измерительном устройстве, а разность, полученную при сравнении, используют для калибровки и после калибровки удерживают оптическое волокно погруженным в сплав, подлежащий измерению, и оценивают полученный оптический и/или электрический сигнал в качестве значения температуры сплава.

2. Способ по п.1, в котором осуществляют преобразование калибровочного сигнала из значения электрического напряжения в значение температуры, а затем сравнивают его с теоретическим значением для реперной температуры.

3. Способ по п.1, в котором в качестве оптического волокна используют кварцевое стекло или сапфир.

4. Способ по п.1, в котором в качестве оптического волокна используют комбинацию из пластмассового волокна и/или волокна из кварцевого стекла с сапфиром.

5. Способ по п.1, в котором создают вибрации на указанном конце оптического волокна, по меньшей мере, периодически.

6. Способ по п.1, в котором для калибровки осуществляют определения затухания в оптическом волокне.

7. Устройство для балансировки сигналов измерений и для измерения температуры сплава с помощью оптических волокон, содержащее оптическое волокно, держатель для волокна, измерительное устройство, соединенное с первым концом оптического волокна для приема сигнала, испускаемого оптическим волокном, при этом на втором конце оптического волокна находится эталонное вещество с известной реперной температурой, при этом измерительное устройство снабжено компаратором для сравнения сигнала, принятого волокном при реперной температуре эталонного вещества и поданного в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала, и сигнала, соответствующего теоретическому значению для реперной температуры, при этом предусмотрено устройство оценки для вывода и/или обработки разности, полученной из компаратора, для калибровки и дополнительно предусмотрено устройство оценки для оценки принятого оптического и/или электрического сигнала в качестве значения температуры сплава, при этом первый конец оптического волокна приспособлен для погружения в сплав.

8. Устройство по п.7, в котором эталонное вещество, по меньшей мере, частично покрывает первый конец оптического волокна, по меньшей мере, на одной его торцевой поверхности, при этом эталонное вещество расположено сбоку вдоль первого конца оптического волокна.

9. Устройство по п.7, в котором, по меньшей мере, часть первого конца оптического волокна имеет свободную поверхность.

10. Устройство по п.7, в котором эталонное вещество сформировано в виде компактной массы, в виде проволоки, в виде проволочной сетки или в виде трубки.

11. Устройство по п.7, в котором оптическое волокно сформировано из кварцевого стекла или сапфира.

12. Устройство по п.7, в котором оптическое волокно содержит комбинацию из пластмассового волокна и/или волокна из кварцевого стекла с сапфиром.

13. Устройство по п.7, в котором оптическое волокно соединено с вибратором.

14. Устройство по п.7, в котором компаратор приспособлен для определения затухания в оптическом волокне.

15. Способ калибровки сигналов измерений с помощью оптических волокон, содержащий следующие этапы, при которых размещают эталонное вещество с известной реперной температурой на одном конце оптического волокна, нагревают эталонное вещество, по меньшей мере, до его реперной температуры, при этом сигнал, поступивший в волокно при достижении реперной температуры, подают в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала и сравнивают сигнал с теоретическим значением для реперной температуры в указанном измерительном устройстве, а разность, полученную при сравнении, используют для калибровки и дополнительно создают вибрации конца оптического волокна, по меньшей мере, периодически.

16. Устройство для балансировки сигналов измерений, содержащее оптическое волокно, держатель для волокна, измерительное устройство, соединенное с первым концом оптического волокна для приема сигнала, испускаемого оптическим волокном, при этом на втором конце оптического волокна находится эталонное вещество с известной реперной температурой, при этом измерительное устройство снабжено компаратором для сравнения сигнала, принятого волокном при реперной температуре эталонного вещества и поданного в измерительное устройство в качестве калибровочного сигнала, и сигнала, соответствующего теоретическому значению для реперной температуры, при этом предусмотрено устройство оценки для вывода и/или обработки разности, полученной из компаратора для калибровки, при этом оптическое волокно соединено с вибратором.