Измерительное устройство для измерения параметров в расплавленных массах
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении параметров в расплавленных массах. Заявленное устройство предназначено для измерения температуры в массах расплавленного металла или расплавленного криолита, имеющих температуру плавления выше 500°С. Устройство содержит оптическое волокно для приема излучения от расплавленной массы и кабельный барабан, содержащий внешнюю окружность для приема оптического волокна и внутреннее пространство, окруженное этой внешней окружностью. Распределитель и модовый фильтр расположены во внутреннем пространстве кабельного барабана. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерительному устройству для измерения параметров в расплавленных массах, в частности для измерения температуры, в частности в массах расплавленного металла или расплавленного криолита, температура плавления которых превышает 500оС, имеющему оптическое волокно для приема излучения от расплавленной массы и имеющему кабельный барабан, имеющий внешнюю окружность для приема оптического волокна, и внутреннее пространство, окруженное этой внешней окружностью. Изобретение дополнительно относится к кабельному барабану, выполненному с возможностью использования в измерительном устройстве по настоящему изобретению.
Уровень техники
Подобные измерительные устройства известны, например, из US 6227702 B1 и DE 10331125 В3. В них оптическое волокно используется для измерений в расплавленных массах и соединено с одной стороны с измерительным устройством, а с другой стороны с погружной трубкой для погружения в расплавленную массу. Оптическое волокно подается подающим механизмом погружной трубки, и направляется, следуя за ним, в соответствии с расходом, и сматывается с кабельного барабана. Процесс измерений по существу известен из двух приведенных выше описаний.
Что касается применяемых относительно длинных оптических волокон (до нескольких сотен метров), то было показано, что волокно на своем погружном конце принимает излучение со множеством видов колебаний. Разные виды колебаний при движении по волокну затухают в разной степени и изменяются, если это применимо, за счет взаимной интерференции. Процесс затухания и, следовательно, изменения сигнала является функцией длины пути, пройденного световым сигналом по оптическому волокну. В целом это может привести к искажению сигнала измерения температуры, соответствующего приблизительно 1600°С, заметно больше чем на 10°С при изменении длины оптического волокна приблизительно на 100 м за счет его расходования в процессе. Для того чтобы как можно больше снизить этот эффект искажений, обычно на кабельном барабане оставляют существенную длину оптического волокна и не расходуют его, хотя это дорогое решение.
В области телекоммуникаций известны так называемые модовые фильтры, в которых конкретное уменьшение диаметра оптического волокна в определенных местах устраняет виды колебаний. В области телекоммуникаций это делается легко, поскольку длина волокон относительно постоянна (волокна не расходуются) и свет подается в так называемый сердечник оптического волокна, а не в его оболочку. Как и сердечник, оболочка изготовлена из кварцевого стекла. Длина волокон, используемых в области телекоммуникаций, обычно превышает один километр; моды в оболочке на таких расстояниях удаляются и не создают помех.
В металлургии, в частности, для измерений используют существенно более короткие оптические волокна, обычно короче 500 м, и свет подается и в сердечник, и в оболочку оптического волокна и, в результате, становится очень нестабильным. Оптическое волокно при его использовании в условиях сильно меняющейся температуры также может ухудшить стабильность.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является усовершенствование известных измерительных устройств и создание возможности более точных измерений.
Эта цель достигается с помощью признаков, перечисленных в независимых пунктах формулы изобретения. Измерительное устройство, описанное выше, отличается тем, что распределитель и модовый фильтр оптического волокна расположены во внутреннем пространстве кабельного барабана. В результате, существенные компоненты для направления пучка объединены в относительно небольшом пространстве и мешающие виды колебаний отфильтровываются так, чтобы повысить точность измерений, даже если длина оптического волокна существенно изменяется. Соответственно, например, в расплавленных массах с температурой приблизительно 1600°С точность измерений и воспроизводимость измерений в ходе расходования волокна из кварцевого стекла повышается до отклонений менее 10°С.
Оптическое волокно содержит сердечник и оболочку, которые выполнены из кварцевого стекла, а также покрытие, которое окружает кварцевое стекло и может быть выполнено из металла, например стали, по меньшей мере на расходуемом участке и которое механически стабилизирует кварцевое стекло. Покрытие на нерасходуемом участке также может быть выполнено из пластмассы.
Распределитель также известен под названием "органайзер". Он служит не только для компенсации отклонений длины различных отрезков оптического волокна, если они возникают, после расходования, но и для соединения расходуемой части оптического волокна с другой секцией оптического волокна, которая не предназначена для расходования, с помощью оптоволоконного соединения, также известного как "сросток", благодаря которому оптическое волокно, не предназначенное для расходования, можно соединить с преобразователем сигнала или электронным блоком.
В области телекоммуникаций известны соединители или органайзеры такого типа, например из US 5802237 А или, в другом конструктивном варианте, из ЕР 1377862 В1. Другие органайзеры такого типа, применяемые в области телекоммуникаций, известны из ЕР 222662 А1, ЕР 903594 А1, WO2010/015846 А1, WO2010/001156 А1 или WO2008/017622 А1. Однако они предназначены для стационарной работы и для нерасходуемых отрезков оптических волокон, тогда как измерительное устройство по настоящему изобретению в соответствии со своим типом предназначено для расхода оптического волокна, которое в нем используется. Поэтому кабельный барабан преимущественно расположен на тележке измерительного устройства, т.е. в самом общем виде на кронштейне с возможностью вращения.
Тележка может быть выполнена в форме рамы и/или снабжена корпусом, в котором могут быть размещены отдельные компоненты измерительного устройства. Кабельный барабан можно расположить либо внутри, либо снаружи корпуса. На тележке может быть установлено вращающееся колесо или вращающийся кронштейн, на котором закреплен кабельный барабан и над которым кабельный барабан может быть прикреплен к тележке. Тележка, в частности, может быть выполнена мобильной, чтобы транспортировать измерительное устройство по мере необходимости. Для этого можно установить, например, колеса или ручку, а кабельный барабан можно установить в корпусе вместе с другими элементами и/или электронными компонентами.
На тележке может быть установлен держатель, с помощью которого погружную трубку, используемую для измерений, можно фиксировать на корпусе во время пауз между измерениями. Тележка преимущественно содержит средство подачи оптического волокна и, если применимо, приборную панель, которая служит для включения и управления подачей волокна и измерительным устройством. Для этого можно использовать дисплей, выполненный интегрально с приборной панелью.
Кабельный барабан целесообразно разместить на тележке так, чтобы он был съемным, обеспечивая возможность быстрой его замены, включая замену после расходования оптического волокна. Предпочтительно во внутреннем пространстве кабельного барабана расположен детектор и/или устройство хранения данных, и/или средство преобразователя сигналов, и/или электрический интерфейс. Детектор и средство преобразователя сигналов служат для приема оптического сигнала и преобразования полученного света в электрические сигналы. Устройство хранения данных служит, например, для запоминания расхода оптического волокна, а электрический интерфейс позволяет выполнять другие соединения измерительного устройства с лабораторным оборудованием, компьютерами и т.п. Детектор целесообразно установить внутри корпуса преобразователя сигналов, защитив его от возможных внешних воздействий так, чтобы предотвратить оптическое, а также электрическое, электромагнитное и механическое воздействия.
Кроме того, целесообразно расположить соединитель оптического волокна, так называемый "сросток", во внутреннем пространстве кабельного барабана. Он используется для сращивания волокон разных типов, например оптического волокна, используемого для измерений, которое имеет металлическое покрытие и проходит от погружной трубки, которая может быть применена, через множество витков на внешней поверхности барабана во внутреннее пространство барабана и которое соединено в этом внутреннем пространстве с другим волокном, которое имеет, например, просто пластиковое покрытие. Такое оптическое волокно с предпочтительно пластиковым покрытием затем соединяется, например, с детектором в корпусе преобразователя сигналов. Таким образом, два оптических волокна лучше соединять через сросток во внутреннем пространстве, где сросток содержит сварное соединение.
Модовый фильтр содержит отрезок оптического волокна, который проходит по замкнутой кривой, в частности по круговой траектории. Это оптическое волокно проходит, в частности, по 1-20 виткам замкнутой кривой. Эта замкнутая кривая имеет наименьший диаметр 1-6 см. Модовый фильтр такого типа, который, в принципе, может также быть создан достаточно небольшим кабельным барабаном, устраняет мешающие виды колебаний, в частности в области оболочки оптического волокна. Целесообразно окружить периферию модового фильтра распределителем (органайзером), т.е. расположить его внутри распределителя. Кроме того, целесообразно обеспечить защиту внутреннего пространства кабельного барабана от механических или электромагнитных воздействий.
Целесообразно соединить в измерительном устройстве детектор, конец оптического волокна, присоединенного к детектору, и полосовой фильтр друг с другом неразъемно, в частности в корпусе тележки, и, предпочтительно, защитить от действия влаги и рассеянного света. Дополнительно или альтернативно сердечник оптического волокна, который с одной стороны соединен с детектором, а с другой - с оптическим волокном, намотанным на кабельный барабан, на конце, соединенном с детектором, имеет диаметр равный или меньший, чем диаметр оптического волокна, намотанного на кабельный барабан. Такая конструкция также является модовым фильтром.
Кроме того, на измерительном устройстве для повышения гибкости его эксплуатации может быть установлена антенна для беспроводной передачи сигналов.
Кроме того, в объем настоящего изобретения также входит кабельный барабан для использования в измерительном устройстве по настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
Далее следует описание примера настоящего изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематический вид измерительного устройства по настоящему изобретению.
Фиг.2 - схематический вид кабельного барабана по настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан иллюстративный вариант измерительного устройства по настоящему изобретению. Оно содержит мобильную тележку 1, имеющую колеса 2, позволяющие ее перевозить. На раме 3 тележки 1 может быть прикреплена так называемая зубовая борона 4 для разрушения поверхностной корки, которая используется для прохода через шлак, присутствующий на расплавленном металле, например на расплавленной стали, чтобы иметь возможность погрузить трубку 5, которая тоже прикреплена к тележке 1 и через которую оптическое волокно 6 направляется в расплавленную массу. Когда волокно 6 оказывается на месте, оно принимает излучение для измерений, что дает возможность известным способом определить температуру расплавленной массы по излучению.
Носитель (тележка) 1 содержит корпус 7, закрытый со всех сторон и внутри которого расположен кабельный барабан 8, съемно установленный на вращающемся колесе 9. Кабельный барабан 8 съемно закреплен на вращающемся колесе 9 кронштейном 10. Кроме того, сбоку от кабельного барабана 8 внутри корпуса 7 расположен по меньшей мере механизм 11 подачи оптического волокна, который можно использовать для подачи оптического волокна 6 с кабельного барабана 8 через защитный кожух 12 в погружную трубку 5 либо непрерывно, либо по мере необходимости. Рядом с защитным кожухом 12 на верхней части корпуса 7 установлена антенна 13 для беспроводной передачи данных. Кроме того, на верхней части корпуса 7 установлена приборная панель с дисплеем.
На фиг.2 показано внутреннее пространство кабельного барабана 8. Кронштейн 10 показан в центре и служит для фиксации кабельного барабана 8 на носителе (тележке) 1 внутри корпуса 7. Оптическое волокно 6 намотано на внешнюю поверхность барабана 8. Оптическое волокно 6 выполнено из кварцевого стекла и имеет оболочку из стальной трубки. Внутри стальной трубки оптическое волокно 6 содержит сердцевину из кварцевого стекла и оболочку, также выполненную из кварцевого стекла. Конец оптического волокна 6 направляется через отверстие 15 во внешней оболочке кабельного барабана 8 во внутреннее пространство 16 кабельного барабана 8, где оно далее направляется направляющими 17 вдоль внутренней периферийной поверхности кабельного барабана 8 в распределитель 18. В этом месте оптическое волокно 6 направляется различными направляющими элементами 30, которые расположены в распределителе, через модовый фильтр 21 на соединение 19 оптического волокна, так называемое "сросток". В этом месте один конец оптического волокна 6 приварен к другому оптическому волокну 20.
Модовый фильтр 21 содержит круглую катушку 22, которая в основном окружена направляющей 23, благодаря которой оптическое волокно 6 намотано на катушку 22 приблизительно 5 витками в зазоре между направляющей 23 и катушкой 22. Витки, сформированные оптическим волокном 6, имеют диаметр приблизительно 4-5 см так, что интерферирующие моды удаляются за счет малого диаметра.
Оптическое волокно 20 содержит сердцевину и оболочку, расположенную поверх сердцевины, которые изготовлены из кварцевого стекла. Если это применимо, оптическое волокно 20 различными направляющими элементами 30 направляется по замкнутой траектории (петлей) внутри к выходу 25 распределителя 18 и проходит через него в детектор 26. Два оптических волокна 6 и 20 направляются направляющими элементами 30 в разных плоскостях так, что они не контактируют друг с другом.
Детектор 26 защищен от электромагнитного излучения и рассеянного света. Он соединен с печатной платой 27, которая содержит устройство хранения данных и другие узлы, в которых хранятся данные о расходе кабеля, измеренной температуре и т.п. Печатная плата 27 имеет расположенный на ней кабель 28, который содержит разъем 29 для пропускания электрических сигналов на последующие устройства, например компьютеры.
1. Измерительное устройство для измерения параметров расплавленных масс, в частности для измерения температуры, в частности в массах расплавленного металла или расплавленного криолита, имеющих температуру плавления выше 500°С, содержащее оптическое волокно для приема излучения от расплавленной массы и кабельный барабан, содержащий внешнюю окружность для приема оптического волокна и внутреннее пространство, окруженное этой внешней окружностью, отличающееся тем, что распределитель и модовый фильтр расположены во внутреннем пространстве.
2. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что кабельный барабан расположен на тележке с возможностью вращения.
3. Измерительное устройство по п.2, отличающееся тем, что тележка содержит подающее средство для оптического волокна и/или приборную панель.
4. Измерительное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что кабельный барабан установлен на тележке с возможностью отсоединения.
5. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что детектор и/или устройство хранения данных, и/или средство преобразования сигналов, и/или электрический интерфейс расположены во внутреннем пространстве кабельного барабана.
6. Измерительное устройство по п.5, отличающееся тем, что детектор расположен внутри корпуса средства преобразования сигналов, которое соединяет оптическое волокно с электрическим кабелем.
7. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что соединение оптических волокон расположено во внутреннем пространстве.
8. Измерительное устройство по п.7, отличающееся тем, что два оптических волокна соединены через соединение во внутреннем пространстве, при этом соединение предпочтительно является сварным соединением.
9. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что модовый фильтр содержит секцию оптического волокна, которая проходит по замкнутой кривой, в частности по круглой траектории.
10. Измерительное устройство по п.9, отличающееся тем, что оптическое волокно проходит 1-20 витками на катушке по замкнутой кривой.
11. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диаметр кривой составляет от 1 до 6 см.
12. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что окружность модового фильтра окружена распределителем.
13. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что внутреннее пространство кабельного барабана защищено от механических и/или электромагнитных воздействий.
14. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что детектор, конец оптического волокна, соединенный с детектором, и полосовой фильтр соединены друг с другом неразъемно и предпочтительно защищены от попадания влаги и рассеянного света.
15. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что сердцевина оптического волокна, соединенного с одной стороны с детектором и с другой стороны с оптическим волокном, намотанным на кабельный барабан, предпочтительно имеет диаметр на конце, соединенном с детектором, равный или меньший, чем диаметр оптического волокна, намотанного на кабельный барабан.
16. Измерительное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на измерительном устройстве установлена антенна для беспроводной передачи сигналов.
17. Кабельный барабан для использования в измерительном устройстве по одному из пп.1-16, содержащий внешнюю окружность для приема оптического волокна и внутреннее пространство, окруженное этой внешней окружностью.
