Физический метод фиксации конденсата на поверхности чувствительного элемента

В качестве конденсационного зеркала используется оптическое волокно, по которому распространяется свет от источника света к приёмнику света (рис. 3). Оптическое волокно должны быть чувствительно к изменению показателя преломления внешней среды на ограниченном участке, т.е. в том месте, где происходит его охлаждение. В этом случае при отсутствии на охлаждаемом участке волокна конденсата потерь света не происходит. Тогда как при выпадении конденсата значительная часть света выходит наружу, что приводит к снижению тока приёмника света.

Измеряемая в этот момент термодатчиком температура в непосредственной близости от волокна и принимается за температуру точки росы. Для реализации этого способа фиксации момента появления конденсата, необходимо решить главную задачу - обеспечить чувствительность оптоволокна на ограниченном участке.

Рисунок 3. - Оптическая схема гигрометра, построенная по принципу

нарушения полного внутреннего отражения

Кратко остановимся на законах оптики, лежащих в основе оптоволоконной технологии. Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью. Максимальная скорость света - в вакууме, а при повышении плотности среды скорость света уменьшается. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется. Угол отраженного луча равен углу падающего, а угол преломленного луча зависит от соотношения показателей преломления сред (углы измеряются от нормали к поверхности). Согласно закону Снеллиуса (см. рисунок 4), произведения синуса угла падающего и преломленного луча на соответствующие показатели преломления сред равны.

Поставим теперь условие, чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду, а двигался вдоль границы их раздела.

Рисунок 4. – Иллюстрация закона преломления Снеллиуса

Принимая γ=90⁰ , можно вычислить так называемый критический угол:

(1)

Формула (1) показывает наличие "эффекта полного отражения", на котором и основана оптоволоконная технология. Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред (первая из которых должна иметь больший показатель преломления, чем вторая) под углом, большим критического, полностью отражается. Если же луч не просто попадает на границу двух сред, а проходит в цилиндрическом световоде (оптоволокне) между параллельными стенками, то при угле входа больше критического, он останется в сердцевине световода (рисунок 5.).

Рисунок 5. - Распространение света по световоду, основанное

на эффекте полного внутреннего отражения

В этом случае, внешняя (вторичная) оболочка световода не чувствительна к изменению физических свойств (коэффициента преломления) внешней среды, поскольку весь световой поток проходит по сердцевине световода. Для того чтобы вывести световой поток в нужном месте во вторичную оболочку световода необходимо в этом месте создать условия для нарушения закона полного внутреннего отражения. Например, можно изогнуть световод таким образом, чтобы угол падения лучей оказался меньше критического.

Для реализации этой идеи было использовано многомодовое кварцевое оптическое волокно со следующими параметрами:

- диаметр сердцевины волокна d₁=50 мкм;

- диаметр вторичной оболочки d₂=125 мкм;

- коэффициент преломления сердцевины - n₁=1,458;

- коэффициент преломления вторичной оболочки - n₂=1,443.

Критический радиус изгиба световода, с вышеуказанными техническими характеристиками, при котором нарушаются условия полного внутреннего отражения, рассчитывается по следующей формуле:

, (2)

где r₁- радиус изгиба сердцевины;

n₁- коэффициент преломления сердцевины;

Δn - разница коэффициентов преломления сердцевины и оболочки.

Подставив в формулу (2) значения r₁=d₁/2=0,025мм, n₁=1,458 и Δn=n₁-n₂=0,015, получим Rкр=0,57 мм. Таким образом, если на определённом участке световода будет образован изгиб с радиусом кривизны, менее 0,57 мм, то на участке изгиба световой поток выйдет во вторичную оболочку. И именно на этом участке вторичная оболочка световода будет чувствительна к изменению коэффициента преломления внешней среды.

Следовательно, оптическое волокно можно использовать как для подвода световой энергии, так и для регистрации изменения показателя преломления внешней, контактирующей с изгибом световода среды.

Если ввести в оптическое волокно свет от какого-либо излучателя, а на выходе поставить фотодетектор, то при отсутствии конденсата на изгибе волокна, в нем сохраняется эффект полного внутреннего отражения, т.е. свет, отражаясь от границы вторичной оболочки волокна - газ (воздух, метан) возвращается обратно в сердцевину с минимальными потерями. Тогда как при охлаждении изгиба волокна и выпадении на нем конденсата коэффициент преломления газа, контактирующего с изгибом волокна, изменяется, и значительная часть света выходит наружу, что приводит к снижению тока фотодетектора. Температура изгиба волокна (измеряемая датчиком в непосредственной близости от изгиба) может в первом приближении принята за температуру точки росы.

При такой конструкции конденсационного зеркала, которым и является изгиб оптоволокна, анализируется физическое состояние среды не снаружи, как это делается в приборах, построенных по принципу рассеивания, а изнутри, поскольку в этом случае вторичная оболочка изгиба волокна является не только регистрирующим наличие конденсата элементом, но и одновременно и конденсационным зеркалом.