RU207294U1 - Волоконно-оптический измеритель кислотности - Google Patents
Волоконно-оптический измеритель кислотности Download PDFInfo
- Publication number
- RU207294U1 RU207294U1 RU2021121746U RU2021121746U RU207294U1 RU 207294 U1 RU207294 U1 RU 207294U1 RU 2021121746 U RU2021121746 U RU 2021121746U RU 2021121746 U RU2021121746 U RU 2021121746U RU 207294 U1 RU207294 U1 RU 207294U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- meter
- sensor
- acidity
- optical fiber
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 claims abstract description 15
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims abstract description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
Abstract
Волоконно-оптический измеритель кислотности, содержащий датчик, выполненный из отрезка оптического волокна. В отличие от известного устройства, датчик измерителя выполнен из отрезка оптического волокна с тонкой сердцевиной и рабочей длиной волны 450-600 нм, на торец которого нанесено зеркальное покрытие, защищенное химически стойким полимерным покрытием, а на внешнюю оболочку волокна нанесено хитозановое покрытие, образованное путем погружения в 1-процентный раствор хитозана при комнатной температуре, также отрезок волокна сварен с одномодовым волокном стандарта G.652, предназначенным для передачи сигнала на длинах волн 1310-1620 нм, при этом измеритель включает два полупроводниковых лазера с двумя блоками питания, подключенными к блоку управления и индикации, лазеры соединены через разветвитель с одним входом циркулятора, а с другим его входом соединено оптическое волокно датчика измерителя, выход циркулятора соединен с фотоприемником, соединенным через усилитель с блоком управления и индикации. Полезная модель может быть использована в химической, нефтехимической, сельскохозяйственных и медицинских отраслях для забора малых проб и измерения кислотности жидких растворов. 3 ил.
Description
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в химической, нефтехимической, сельскохозяйственных и медицинских отраслях для забора малых проб и измерения кислотности жидких растворов.
Известно устройство волоконно-оптического химического датчика (патент РФ 2267116), предназначенного для измерения кислотности растворов азотной кислоты и изготовленного с использованием содержащей цветной индикатор пористой пленки, осажденной золь-гель методом на сердцевину оптического волокна. Для изготовления датчика использовался золь-гелевый метод синтеза оксидов металлов, состоящий в получении золя катализируемым кислотой гидролизом, осажденного на сердцевине оптического волокна, с которого удалены механические и оптические оболочки, и последующей сушке с образованием содержащей цветной индикатор микропористой пленки, нанесенной на сердцевину волокна. рН исходного золя и другие условия осуществления золь-гелевого способа выбирают таким образом, чтобы получить стабильность сигнала излучаемого датчика в среде азотной кислоты в течении по меньшей мере 1000 часов. Устройство содержит ксеноновую лампу, освещающую контактирующий с измеряемой средой датчик. Свет от датчика направляется с помощью оптического волокна в спектрофотометр, снабженный детектором с зарядовой связью. С помощью данного устройства получают спектры поглощения датчика, которые соответствуют разной концентрации азотной кислоты.
Недостатками известного устройства являются необходимость удаления оболочки волокна и наличие сложного спектрофотометрического устройства для измерения спектров пропускания.
Техническая задача состоит в упрощении схемы устройства измерения кислотности жидкостей (в том числе биологических) с использованием оптического волокна без удаления его оболочки, позволяющего производить анализ микропроб.
Поставленная задача решена заявляемым волоконно-оптическим измерителем кислотности, содержащим датчик, выполненный из отрезка оптического волокна. В отличие от известного устройства, датчик измерителя выполнен из отрезка оптического волокна с тонкой сердцевиной и рабочей длиной волны 450-600 нм, на торец которого нанесено зеркальное покрытие, защищенное химически стойким полимерным покрытием, а на внешнюю оболочку волокна нанесено хитозановая пленка, образованная путем погружения в раствор хитозана при комнатной температуре, также отрезок волокна сварен с одномодовым волокном стандарта G.652, предназначенным для передачи сигнала на длинах волн 1310-1620 нм, при этом измеритель включает два полупроводниковых лазера с двумя блоками питания, подключенными к блоку управления и индикации, лазеры соединены через разветвитель с одним входом циркулятора, а с другим его входом соединено оптическое волокно датчика измерителя, выход циркулятора соединен с фотоприемником, соединенным через усилитель с блоком управления и индикации. Полезная модель поясняется фигурами.
На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического датчика, чувствительного к кислотности среды, где 1 - хитозановая пленка, 2 - клеевая оболочка, 3 - зеркальное покрытие торца, 4 - сердцевина оптического волокна (в образце использовалось волокно SM600). 5 - защитная отражающая оболочка волокна SM600, 6 - сердцевина одномодового волокна стандарта G.652 (в образце использовалось волокно SMF-28), 7 - защитная отражающая оболочка волокна SMF-28, 8 - внешний защитный буфер волокна.
На фиг. 2 представлена эволюция спектра пропускания чувствительного элемента с хитозановым покрытием при изменении кислотности среды.
На фиг. 3 представлена блок-схема волоконно-оптического устройства измерения кислотности, где 9 и 10 - блок питания для полупроводниковых лазеров 11 и 12, 13 - разветвитель, 14 - циркулятор, 15 - волоконно-оптический датчик, 16 - фотоприемник, 17 - усилитель. 18 - блок управления и индикации.
Принцип работы датчика основан на зависимости спектров пропускания отрезка волокна с хитозановым покрытием от кислотности внешней среды. На чувствительный элемент подается излучение от двух полупроводниковых лазеров и возвращается на фотодетектор. В зависимости от кислотности хитозан разбухает или сжимается в растворе, что приводит к изменению его показателя преломления, что, в свою очередь, изменяет спектры отражения чувствительного элемента. В результате изменения спектра происходит изменение интенсивностей сигналов на двух длинах волн, на которых излучают используемые лазеры. Сравнение сигналов, детектируемых на двух длинах волн, позволяет определить кислотность жидкости, в которую погружено оптическое волокно с покрытием.
Волоконно-оптический датчик образован отрезком волокна с рабочей длиной волны 450-600 нм и диаметром поля моды сердцевины 3-5 мкм. На отрезок волокна наносится хитозановое покрытие погружением волокна в раствор хитозана и сушкой на воздухе с образованием пленки на поверхности оболочки волокна. Раствор хитозана готовится путем его смешивания с 1-процентным раствором уксусной кислоты. Толщина пленки может контролироваться изменением концентрации хитозана и скоростью вытягивания волокна из раствора. При работе датчика отрезок волокна с хитозановым покрытием помещается в растворы исследуемой кислотности.
В результате увеличения показателя преломления внешней среды изменяются постоянные распространения оболочечных мод оптического волокна. Вследствие этого происходит смещение спектральных провалов в область больших длин волн. Чем меньше рН. тем больше сдвиг спектра в область больших длин волн. Существование такой зависимости позволяет контролировать кислотность среды.
Для детектирования сдвига спектра в модели используется схема с двумя источниками излучения, работающими на длинах волн, примерно соответствующих положениям минимумов пропускания датчика для двух крайних значений рН.
Измеритель кислотности состоит из контактирующего с измеряемой средой датчика и элементов, обеспечивающих управление, генерацию оптического излучения, доставку излучения до датчика, детектирование, обработку и индикацию сигнала.
Измеритель кислотности работает следующим образом: блок управления 18 поочередно включает один их блоков питания 9 или 10, которые включают источники света - два полупроводниковых лазера 11 и 12, работающих на длинах волн λ1 (1476 нм) и λ2 (1488 нм). Разветвитель 13 объединяет два входа и посылает сигнал одного или другого лазера на циркулятор 14, который направляет сигналы по оптическому волокну в датчик 15, и отраженные от торца волокна 3 сигналы приходят в фотоприемник 16, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливаются в блоке 17. В блоке управления и индикации сигнала 18 происходит обработка сигнала и вывод результата измерения кислотности.
Один из лазеров (λ1) настроен по длине волны на положение, соответствующее минимуму спектрального провала. Сигнал I1, отраженный на этой длине волны, принимает минимальное значение при кислотности среды рН=4.5. Сигнал I2, отраженный на другой длине волны, принимает минимальное значение при кислотности среды рН=7.5. В тоже время сигнал I1 слабо зависит от кислотности при значениях рН около 7.5, a I2 слабо зависит от кислотности при рН около 4.5. Для исключения влияния потерь в волокне или изменения общей мощности лазеров введена функция двух сигналов, которая однозначно связана с величиной кислотности:
В блоке управления и индикации рассчитывается значение величины К. Перед началом измерений проводится калибровка, и для нескольких значений рН определяются значения коэффициента К и строится обратная функция pH(K). При проведении измерений по рассчитанной величине К с помощью обратной функции, интерполированной кусочно-полиномиальной кривой, находится значение кислотности жидкости.
Таким образом, использование сигналов на двух длинах волн позволяет упростить схему устройства и проводить измерения без использования спектрофотометра; для получения чувствительности к внешней среде возбуждаются оболочечные моды и, поэтому, нет необходимости удалять оболочку с волокна; малый размер датчика в виде отрезка волокна позволяет производить анализ микропроб.
Конструктивно одноканальный измеритель кислотности выполнен в виде блока с дисплеем и выносного оптоволоконного чувствительного элемента.
Claims (1)
- Волоконно-оптический измеритель кислотности, содержащий датчик, выполненный из отрезка оптического волокна, отличающийся тем, что датчик измерителя выполнен из отрезка оптического волокна с тонкой сердцевиной и рабочей длиной волны 450-600 нм, на торец которого нанесено зеркальное покрытие, защищенное химически стойким полимерным покрытием, а на внешнюю оболочку волокна нанесено хитозановое покрытие, образованное путем погружения в раствор хитозана при комнатной температуре, также отрезок волокна сварен с одномодовым волокном стандарта G.652, предназначенным для передачи сигнала на длинах волн 1310-1620 нм, при этом измеритель включает два полупроводниковых лазера с двумя блоками питания, подключенными к блоку управления и индикации, лазеры соединены через разветвитель с одним входом циркулятора, а с другим его входом соединено оптическое волокно датчика измерителя, выход циркулятора соединен с фотоприемником, соединенным через усилитель с блоком управления и индикации.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021121746U RU207294U1 (ru) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | Волоконно-оптический измеритель кислотности |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021121746U RU207294U1 (ru) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | Волоконно-оптический измеритель кислотности |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU207294U1 true RU207294U1 (ru) | 2021-10-21 |
Family
ID=78289799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021121746U RU207294U1 (ru) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | Волоконно-оптический измеритель кислотности |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU207294U1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19904938A1 (de) * | 1999-02-06 | 2000-08-10 | Kurt Schwabe Inst Fuer Mes Und | Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Sonde und Anordnung zur Extinktionsmessung |
| RU2267116C2 (ru) * | 2000-08-22 | 2005-12-27 | Коммиссариат А Л`Энержи Атомик | Способ изготовления и устройство волоконно-оптического химического датчика |
| CN207147971U (zh) * | 2017-06-27 | 2018-03-27 | 杭州铭迦网络科技有限公司 | 一种基于细芯光纤马赫‑泽德干涉仪的pH值传感器 |
| CN109342377A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-02-15 | 桂林电子科技大学 | 一种基于荧光激发原理的pH光纤传感器系统 |
-
2021
- 2021-07-21 RU RU2021121746U patent/RU207294U1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19904938A1 (de) * | 1999-02-06 | 2000-08-10 | Kurt Schwabe Inst Fuer Mes Und | Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Sonde und Anordnung zur Extinktionsmessung |
| RU2267116C2 (ru) * | 2000-08-22 | 2005-12-27 | Коммиссариат А Л`Энержи Атомик | Способ изготовления и устройство волоконно-оптического химического датчика |
| CN207147971U (zh) * | 2017-06-27 | 2018-03-27 | 杭州铭迦网络科技有限公司 | 一种基于细芯光纤马赫‑泽德干涉仪的pH值传感器 |
| CN109342377A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-02-15 | 桂林电子科技大学 | 一种基于荧光激发原理的pH光纤传感器系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| РФ 2267116 C2, 27.12.2005. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Novais et al. | Optical fiber tip sensor for the measurement of glucose aqueous solutions | |
| CN108844919B (zh) | 包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器及制作、测量方法 | |
| EP0047094A1 (en) | Analytical optical instruments | |
| CA2116786C (en) | Dual-wavelength photometer and fiber-optic sensor probe | |
| CN105044030B (zh) | 光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法 | |
| JPS6156449B2 (ru) | ||
| US4575259A (en) | Optical fibre thermometer | |
| CN111006786A (zh) | 基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法 | |
| WO2010028319A2 (en) | Optical fiber based polymer core sensor | |
| Shlyagin et al. | Optical-fiber self-referred refractometer based on Fresnel reflection at the fiber tip | |
| Pandey et al. | Packaged negative axicon optical fiber probe and Bessel beam interferometry for refractive index measurement of hazardous liquid samples | |
| Sinchenko et al. | The effect of the cladding refractive index on an optical fiber evanescent-wave sensor | |
| JP2002350335A (ja) | 屈折率センサー、センサーシステムおよび光ファイバ | |
| CN111928880B (zh) | 基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器 | |
| CN105241848A (zh) | 一种液体折射率和温度双参量传感器及其制作方法 | |
| RU207294U1 (ru) | Волоконно-оптический измеритель кислотности | |
| US10145789B2 (en) | Immersion refractometer | |
| Zajíc et al. | Optical pH Detection with U‐Shaped Fiber‐Optic Probes and Absorption Transducers | |
| CN114964331A (zh) | 一种光纤多元参量检测系统及方法 | |
| CN100432656C (zh) | 分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及传感系统 | |
| ZA200508065B (en) | A fibre optic sensor for measurement of refractive index | |
| JP2013088138A (ja) | 屈折率測定装置および濃度測定装置並びにその方法 | |
| Adilkhanova et al. | Fiber optic refractive index sensing using an inline dual semi-distributed interferometer | |
| Marzejon et al. | Fibre-optic sensor for simultaneous measurement of thickness and refractive index of liquid layers | |
| Tubb et al. | Single mode optical fibre surface plasma wave chemical sensor |