RU2241211C2

RU2241211C2 - Temperature sensor and device for measuring temperature

Info

Publication number: RU2241211C2
Application number: RU2002123995/28A
Authority: RU
Inventors: П.И. Садовский (RU); П.И. Садовский; И.Л. Воробьев (RU); И.Л. Воробьев; А.А. Изынеев (RU); А.А. Изынеев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Центр по изготовлению медицинской техники "Экстратерм"
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-11-27

Abstract

FIELD: thermometry.

SUBSTANCE: device has luminescent thermo-sensitive element connected to light duct end, which is made of glass activated by ytterbium. Thermo-sensitive element has form of micro half-sphere with radius no more than light guide radius. Device for measuring temperature has said sensor and radiation source/detector connected to it through optic-fiber channel.

EFFECT: higher durability of temperature sensor.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике термометрии и может быть использовано для измерения температуры практически во всех отраслях народного хозяйства.The invention relates to thermometry and can be used to measure temperature in almost all sectors of the economy.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее источник и приемник излучения, соединенные через волоконно-оптический тракт с датчиком температуры, содержащим соединенный со световодом люминесцентный термочувствительный элемент из стекла, активированного редкоземельными элементами, причем термочувствительный элемент имеет форму микростержня с диаметром, близким к диаметру световедущей жилы световода (50-1000 мкм), и длиной 1-5 мм (авторское свидетельство ССССР №1591632, G 01 К 11/00). Микростержень окружен диффузно отражающим слоем.A known device for measuring temperature, containing a radiation source and receiver, connected through a fiber optic path to a temperature sensor containing a luminescent thermosensitive element made of glass activated by rare-earth elements connected to the optical fiber, and the thermosensitive element has the form of a micro rod with a diameter close to the diameter of the light guide core fiber (50-1000 microns), and a length of 1-5 mm (copyright certificate of the USSR # 1591632, G 01 K 11/00). The micro rod is surrounded by a diffusely reflecting layer.

Одним из недостатков такой конструкции является плохая механическая прочность стыковочного узла в условиях малых поперечных размеров световода и относительно большой (более 1 мм) длины чувствительного элемента. Основной же недостаток состоит в том, что из-за влияния реабсорбции люминесценции в стержне очень трудно получить волоконные пробы с одинаковыми температурными зависимостями.One of the drawbacks of this design is the poor mechanical strength of the docking unit under conditions of small transverse dimensions of the fiber and the relatively large (more than 1 mm) length of the sensing element. The main disadvantage is that, due to the influence of reabsorption of luminescence in the rod, it is very difficult to obtain fiber samples with the same temperature dependences.

Поэтому на практике приходится прибегать к обязательной калибровке каждой пробы. В связи с этим замена вышедшей из строя пробы сопряжена с трудоемкой задачей занесения калибровочной кривой новой пробы в память прибора, что обычно производится в компании-производителе.Therefore, in practice, you have to resort to the mandatory calibration of each sample. In this regard, the replacement of a failed sample is associated with the time-consuming task of entering the calibration curve of a new sample in the memory of the device, which is usually done by the manufacturer.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить такую конструкцию чувствительно элемента, которая позволила бы избежать вышеуказанных недостатков.The objective of the invention is to propose such a design sensitive element that would avoid the above disadvantages.

Поставленная задача решается тем, что в датчике температуры, содержащем соединенный со световодом люминесцентный термочувствительный элемент, выполненный из стекла, активированного редкоземельным элементом, указанный термочувствительный элемент имеет форму сегмента сферы или сегмента эллипсоида. При этом стекло активировано иттербием и содержит дополнительно по меньшей мере один редкоземельный элемент в качестве тушителя люминесценции иттербия, выбранного из ряда: хром, эрбий, празеодим, самарий.The problem is solved in that in a temperature sensor comprising a luminescent heat-sensitive element made of glass activated by a rare-earth element, said heat-sensitive element has the form of a sphere segment or an ellipsoid segment. In this case, the glass is activated by ytterbium and additionally contains at least one rare-earth element as a quencher of luminescence of ytterbium selected from the range: chromium, erbium, praseodymium, samarium.

Указанный термочувствительный элемент может иметь форму сегмента сферы с радиусом не более радиуса световода, причем сегмент сферы предпочтительно является полусферой с радиусом, равным радиусу световода.The specified temperature-sensitive element may be in the form of a segment of a sphere with a radius of not more than the radius of the fiber, and the segment of the sphere is preferably a hemisphere with a radius equal to the radius of the fiber.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для измерения температуры содержит датчик температуры, выполненный описанным выше образом, источник и приемник излучения, соединенные с датчиком температуры через волоконно-оптический тракт.The problem is also solved by the fact that the device for measuring temperature includes a temperature sensor made in the manner described above, a radiation source and receiver connected to the temperature sensor through a fiber optic path.

На фиг.1 показана схема предлагаемого датчика температуры; на фиг.2 - блок-схема устройства для измерения температуры; на фиг.3 - зависимость отклонения показаний предложенного устройства от истинного значения температуры; на фиг.4 - разброс показаний предлагаемых датчиков.Figure 1 shows a diagram of the proposed temperature sensor; figure 2 is a block diagram of a device for measuring temperature; figure 3 - dependence of the deviation of the readings of the proposed device from the true temperature; figure 4 - the range of readings of the proposed sensors.

Датчик температуры представляет собой светочувствительный элемент 1, прикрепленный с помощью клея 2 к торцу световода 3. Термочувствительный элемент 1 окружен диффузно отражающим слоем 4. Вся конструкция размещена в трубке-катетере 5 (фиг.1).The temperature sensor is a photosensitive element 1, attached with glue 2 to the end of the optical fiber 3. The heat-sensitive element 1 is surrounded by a diffusely reflecting layer 4. The whole structure is placed in the catheter tube 5 (Fig. 1).

Термочувствительный элемент 1 выполнен из стекла класса фосфатов, боратов или силикатов, активированного редкоземельным элементом, например, иттербием, с добавкой, по меньшей мере, одного тушителя люминесценции, выбранного из ряда: хром, эрбий, празеодим, самарий. В стекло может быть введен неодим в качестве сенсибилизатора.The heat-sensitive element 1 is made of glass of the class of phosphates, borates or silicates activated by a rare-earth element, for example, ytterbium, with the addition of at least one luminescence quencher selected from the range: chromium, erbium, praseodymium, samarium. Neodymium can be introduced into the glass as a sensitizer.

Элемент 1 имеет форму сегмента сферы или эллипсоида, радиус которых не более радиуса световода 2. Как правило, это микрополусфера, которая может иметь некоторое отклонение от сферичности и представлять собой таким образом микрополуэллипсоид.Element 1 has the shape of a segment of a sphere or an ellipsoid, the radius of which is not more than the radius of the fiber 2. As a rule, it is a micro hemisphere, which may have some deviation from sphericity and thus be a micro-semi-ellipsoid.

Устройство для измерения температуры содержит (фиг.1) полупроводниковый источник 6 импульсов оптического излучения, фотоприемник 7 сигнала люминесценции, волоконно-оптический тракт, содержащий светоделительное устройство 8 (например, направленный волоконный ответвитель), оптический волоконный световод 3, длина которого может достигать нескольких километров, чувствительный элемент 1, закрепленный на дальнем конце световода, и электронную схему 9 - преобразователь длительности сигнала фотоприемника в частоту по закону F=А·1/τ.The temperature measuring device comprises (Fig. 1) a semiconductor source of 6 pulses of optical radiation, a photodetector 7 of a luminescence signal, a fiber optic path containing a beam splitter 8 (for example, a directional fiber coupler), an optical fiber light guide 3, the length of which can reach several kilometers , the sensitive element 1, mounted on the far end of the fiber, and the electronic circuit 9 is a converter of the duration of the photodetector signal into a frequency according to the law F = A · 1 / τ.

Возможны и другие схемные решения при реализации предлагаемого устройства. В частности, волоконно-оптический тракт можно выполнить в виде двухжильного световода, по одной жиле которого передается излучение источника к чувствительному элементу, а по другой - излучение люминесценции от чувствительного элемента к фотоприемнику.Other circuit solutions are possible when implementing the proposed device. In particular, the fiber optic path can be made in the form of a two-core fiber, through one core of which the radiation of the source is transmitted to the sensitive element, and along the other, luminescence radiation from the sensitive element to the photodetector.

Импульс оптического излучения от источника 6, работающего на длине волны, соответствующей полосе поглощения ионов иттербия в чувствительном элементе (900-1060 нм), через волоконный ответвитель 3 подается на торец световода 3 и распространяется по нему в прямом направлении, доходит до противоположного торца, у которого расположен чувствительный элемент 1, и поглощается в нем. При этом ионы активатора (иттербия) переходят в возбужденное состояние и затем самопроизвольно возвращаются снова в основное состояние, частично выделяя энергию возбуждения в виде излучения люминесценции в области 960-1100 нм, а частично передавая ее безизлучательным образом ионам тушителя люминесценции, в котором она затем рассеивается в тепловые колебания решетки стекла. Результирующее время затухания люминесценции чувствительного элемента зависит от суммы скоростей излучательной релаксации и скорости переноса возбуждения на тушитель (тушители) люминесценции. Последняя в указанной системе активатор - тушитель резко возрастает при увеличении температуры элемента, что и обуславливает сильную температурную зависимость времени затухания люминесценции активатора (иттербия). Далее излучение люминесценции чувствительного элемента попадает на торец волоконного световода 3 (наличие диффузного или зеркального отражающего покрытия 4 на этом элементе позволяет в несколько раз увеличить собираемую в световоде 3 долю этого излучения), распространяется по нему в обратном направлении, проходит через светоделительное устройство 8 и регистрируется фотоприемником 7. Электрический сигнал с выхода фотоприемника поступает на электронную схему 9, где он преобразуется в частоту, обратно пропорциональную длительности затухания люминесценции и, следовательно, однозначно определенную температурой чувствительного элемента 1.The pulse of optical radiation from a source 6 operating at a wavelength corresponding to the absorption band of ytterbium ions in the sensing element (900-1060 nm) is fed through the fiber coupler 3 to the end face of the optical fiber 3 and propagates along it in the forward direction, reaches the opposite end, which is the sensitive element 1, and is absorbed in it. In this case, the activator (ytterbium) ions become excited and then spontaneously return to the ground state, partially releasing the excitation energy in the form of luminescence radiation in the region of 960-1100 nm, and partially transferring it non-radiatively to the luminescence quencher ions, in which it is then scattered into the thermal vibrations of the glass lattice. The resulting luminescence decay time of the sensitive element depends on the sum of the rates of radiative relaxation and the rate of excitation transfer to the luminescence quencher (s). The last activator – quencher in the indicated system sharply increases with increasing element temperature, which leads to a strong temperature dependence of the luminescence decay time of the activator (ytterbium). Next, the luminescence radiation of the sensitive element hits the end of the fiber 3 (the presence of a diffuse or mirror reflective coating 4 on this element allows several times to increase the fraction of this radiation collected in the fiber 3), propagates through it in the opposite direction, passes through the beam splitter 8 and is registered photodetector 7. The electrical signal from the output of the photodetector is fed to electronic circuit 9, where it is converted to a frequency inversely proportional to the duration of the attenuation Nia luminescence and therefore uniquely determined temperature sensing element 1.

Механическая прочность датчика температуры повышена. Рассмотрим момент силы М, создаваемый относительно места склейки световода диаметром 200 мкм с т.ч. (термочувствительным) элементом, возникающей со стороны торца катетера при введении его в операционную область. В известной конструкции M1=F·1000 мкм. В предлагаемой конструкции M2=F·100 мкм, что на порядок меньше.The mechanical strength of the temperature sensor is increased. Consider the moment of force M created relative to the place of gluing together a fiber with a diameter of 200 μm, (thermosensitive) element that arises from the end of the catheter when it is introduced into the operating area. In the known construction, M1 = F · 1000 μm. In the proposed design, M2 = F · 100 μm, which is an order of magnitude smaller.

Влияние реабсорбции люминесценции в предлагаемом датчике меньше, чем в известном, по следующим причинам.The influence of luminescence reabsorption in the proposed sensor is less than in the known one, for the following reasons.

В случае тонких слоев кинетика распада люминесценции описывается экспоненциальным законом I=I·exp(-t/τ), где τ - длительность люминесценции - параметр, характеризующий оптическую среду. В случае, когда оптическая среда имеет реальные физические размеры и спектр люминесценции перекрывается со спектром поглощения, происходит резонансный захват люминесценции. Т.е. прежде чем покинуть оптический материал возбуждение несколько раз по пути к границе среды переводит разные ионы иттербия в верхнее состояние, что приводит к затягиванию распада. Это затягивание характеризуется коэффициентом ξ, в зависимости от размеров принимающим значения от 1 до 0. Кинетика распада будет описываться законом I=I·ехр(-ξt/τ). Методика расчета коэффициента ξ для конкретной конфигурации т.ч. элемента довольно сложна, но из теории известно, что в случае пластины ξ обратно пропорционален √d, где d - толщина пластины. Исходя из этого, коэффициент ξ в заявляемом случае будет более чем в 3 раза меньше, чем в известном устройстве.In the case of thin layers, the kinetics of luminescence decay is described by the exponential law I = I · exp (-t / τ), where τ is the luminescence duration, a parameter characterizing the optical medium. In the case when the optical medium has real physical dimensions and the luminescence spectrum overlaps with the absorption spectrum, resonance luminescence is captured. Those. Before leaving the optical material, the excitation several times along the way to the boundary of the medium transfers different ytterbium ions to the upper state, which leads to delayed decay. This delay is characterized by a coefficient ξ, depending on the size, taking values from 1 to 0. The decay kinetics will be described by the law I = I · exp (-ξt / τ). The methodology for calculating the coefficient ξ for a specific configuration incl. element is rather complicated, but from theory it is known that in the case of a plate, ξ is inversely proportional to √d, where d is the thickness of the plate. Based on this, the coefficient ξ in the claimed case will be more than 3 times less than in the known device.

Но это было бы не страшно, если бы коэффициент ξ, не менялся. Однако при изгибах световода, при старении и ряде других причин меняется распределение интенсивности поля по сечению световода, а соответственно и по т.ч. элементу, а это приводит к непредсказуемому изменению коэффициента ξ. Соответственно, чем больше величина коэффициента ξ, тем больше будет изменение кинетики распада люминесценции в силу вышеприведенных причин, не связанное с температурной зависимостью. Кроме того, микрополусфера в отличие от микростержня обладает большей степенью симметрии.But this would not be scary if the coefficient ξ did not change. However, with bending of the fiber, with aging and a number of other reasons, the distribution of the field intensity over the fiber cross section changes, and accordingly, including element, and this leads to an unpredictable change in the coefficient ξ. Accordingly, the larger the coefficient ξ, the greater the change in the kinetics of luminescence decay due to the above reasons, not related to the temperature dependence. In addition, the micro hemisphere, in contrast to the micro rod, has a greater degree of symmetry.

Вышеприведенные рассуждения подтверждаются экспериментальными данными.The above reasoning is confirmed by experimental data.

1. Влияние радиуса изгиба световода на показания термометра.1. The influence of the bending radius of the fiber on the thermometer.

В реальном применении световод 3 может иметь различные радиусы изгиба, в зависимости от расположения внутренних органов, куда вводится катетер. Поэтому очень важно, чтобы этот изгиб не оказывал влияния на показания термометра.In a real application, the light guide 3 can have different bending radii, depending on the location of the internal organs where the catheter is inserted. Therefore, it is very important that this bend does not affect the readings of the thermometer.

На фиг.3 приведена зависимость отклонения показаний термометра от истинного значения температуры при различной величине радиуса изгиба световода. Видно, что для термочувствительного элемента в виде микрополусферы (линия А) отклонения намного меньше, чем для термочувствительного элемента, выполненного в виде микростержня (линия В).Figure 3 shows the dependence of the deviation of the readings of the thermometer on the true temperature value for various values of the bending radius of the fiber. It can be seen that for a heat-sensitive element in the form of a hemisphere (line A), the deviations are much less than for a heat-sensitive element made in the form of a micro rod (line B).

2. Разброс показаний температурных проб.2. The scatter of temperature readings.

Испытаниям подвергались 100 шт. вновь изготовленных температурных проб (термочувствительных элементов). Температура в термостате была +40°С. На фиг.4 приведено количество проб, соответствующее отложенному по оси Х отклонению показаний. Видно, что в интервал разброса температур [(-0,2)-(+0,2)]°С (такие требования к точности прибора) в случае с микрополусферой попадает 95% от всего количества проб (черные столбики), а в случае с микростержнем (серые столбики) только 30%.100 pieces were tested. newly manufactured temperature samples (thermosensitive elements). The temperature in the thermostat was + 40 ° C. Figure 4 shows the number of samples corresponding to the deferred reading on the X axis. It can be seen that in the range of temperature dispersion [(-0.2) - (+ 0.2)] ° С (such requirements for the accuracy of the device) in the case of the micro hemisphere, 95% of the total number of samples falls (black bars), and in the case of with a micro rod (gray bars) only 30%.

Исследования проводились с использованием микрополусфер радиусом в пределах 75-100 мкм. Диаметр световода равен 200 мкм.The studies were carried out using micro hemispheres with a radius in the range of 75-100 microns. The diameter of the fiber is 200 μm.

Таким образом, в случае с микрополусферой имеется возможность путем отбраковки всего 5% проб обеспечить их взаимозаменяемость. В то время как в случае с микростержнем сделать это проблематично, учитывая высокую стоимость проб и малый процент попадания их в нужный диапазон (всего 30%).Thus, in the case of the micro-hemisphere, it is possible by rejecting only 5% of the samples to ensure their interchangeability. While in the case of a micro rod, this is problematic, given the high cost of the samples and the low percentage of them falling into the desired range (only 30%).

Claims

1. A temperature sensor comprising a luminescent heat-sensitive element connected to a light guide made of activated glass, characterized in that said heat-sensitive element has the form of a segment of a sphere or segment of an ellipsoid.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that said heat-sensitive element has the shape of a segment of a sphere with a radius of not more than the radius of the fiber.

3. The sensor according to claim 2, characterized in that the sphere segment is a hemisphere with a radius equal to the radius of the fiber.

4. A device for measuring temperature, comprising a temperature sensor, made according to any one of claims 1 to 4, a radiation source and receiver, connected to the temperature sensor through a fiber optic path.