ДАТЧИК РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления.

Известен волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения, при этом участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав, а пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины. Патент Российской Федерации №2420719, МПК: G01L 11/02, 2011 г.

Известно устройство для измерения давления, содержащее волоконно-оптический датчик, состоящий из корпуса, в котором размещена чувствительная мембрана, фотоприемник, приемный и осветительный каналы в виде световодов и излучатель, при этом световоды соединены соответственно с фотоприемником и излучателем, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным датчиком, идентичным основному, при этом осветительный канал дополнительного датчика соединен с осветительным каналом основного датчика, обеспечивая нерегулярную разводку жгута световодов, а дополнительный датчик изолирован от давления среды и доступен для температурного воздействия среды. Патент Российской Федерации №2287792, МПК: G01L 11/02, 2006 г.

Известен волоконно-оптический кабель, включающий в себя датчики температуры, давления и деформации, выполненные на основе волоконно-оптических брэгговских решеток, а также средство передачи данных от датчиков к промежуточным концентраторам информации. Патент Российской Федерации на полезную модель №104904, МПК: В61К 9/08; B61L 1/00, 2012 г.

Волоконно-оптические брэгговские решетки - один из перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков различных физических величин (температуры, механических напряжений, давления). Основным элементом такого датчика является внутриволоконная брэгговская решетка.

Известен датчик давлений, содержащий корпус, силовую мембрану, элемент передачи деформации, закрепленный в средней части силовой мембраны, измерительную мембрану, плоскость которой расположена под углом к плоскости силовой мембраны и смещена относительно центральной части силовой мембраны, причем средняя часть измерительной мембраны соединена с элементом передачи силы, емкостный преобразователь с подвижными и неподвижными электродами, причем подвижные электроды расположены по разные стороны от оси, проходящей через среднюю часть измерительной мембраны и параллельно плоскости силовой мембраны, связаны с поверхностью измерительной мембраны и попарно с соответствующими неподвижными электродами образуют два конденсатора. Патент Российской Федерации №2126533, МПК: G01L 9/12, 1999 г.

По совокупности конструктивных признаков данный датчик давлений принят за прототип.

Недостатком прототипа является пониженная точность измерений из-за отсутствия учета температурных влияний на результаты измерений.

Изобретение устраняет указанный недостаток.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости измерения.

Технический результат достигается тем, что в датчике разности давлений, содержащем корпус, силовую мембрану, размещенную в корпусе, элемент передачи деформации, закрепленный в центре силовой мембраны, измерительную мембрану, плоскость которой расположена под углом к плоскости силовой мембраны и смещена относительно центральной части силовой мембраны, причем центр измерительной мембраны соединен с элементом передачи деформации, и преобразователь с чувствительным элементом, корпус выполнен из двух составных частей, между которыми установлена силовая мембрана, образуя две камеры в корпусе, сочленяемые стенки корпуса выполнены с выемками, образуя опорные поверхности для силовой мембраны, в каждой составной части корпуса установлена измерительная мембрана, центры измерительных мембран соединены элементами передачи деформации с центром силовой мембраны с противоположных ее сторон, преобразователи выполнены в виде оптического волокна, закрепленного на поверхности каждой измерительной мембраны, а чувствительные элементы выполнены в виде волоконных брэгговских решеток, закрепленных в чувствительных зонах измерительных мембран. В зоне измерительной мембраны, не восприимчивой к деформации, расположена термокомпенсационная волоконная брегговская решетка.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-3.

На фиг.1 показан общий вид датчика разности давлений, где: 1 - составной корпус, 2 - силовая мембрана, 3 - элементы передачи деформации, 4 - измерительные мембраны, 5 - опорные основания, 6 - камера для приема измеряемого давления P₁, 7 - камера для приема измеряемого давления Р₂, 8 - оси деформации измерительных мембран, 9 - оптическое волокно, 10 - опорная поверхность.

На фиг.2 показаны места максимальной деформации в виде овальных зон, где: 4 - измерительная мембрана; 8 - ось деформации; 9 - оптическое волокно; 11 - чувствительные зоны (показаны схематично овалами).

На фиг.3 схематично показаны зоны 12 измерительной мембраны 4, не восприимчивые к измеряемой деформации, определяющие место расположения термокомпенсационной волоконной брэгговской решетки. Термокомпенсационная волоконная брэгговская решетка может располагаться и в других местах датчика и служит для измерения температуры.

Датчик разности давлений содержит составной корпус 1, силовую мембрану 2, элементы передачи деформации 3, две измерительные мембраны 4, выполненные за одно целое с опорными основаниями 5, волоконно-оптические преобразователи с чувствительным элементом в виде оптического волокна 9, закрепленного на поверхности каждой измерительной мембраны 4, с волоконными брэгговскими решетками, расположенными в зонах деформации измерительных мембран 4.

Силовая мембрана 2 закреплена периферийной частью между составными частями корпуса 1 и образует две камеры. Камера 6 предназначена для приема измеряемого давления P₁, а камера 7 - для приема измеряемого давления Р₂. В стенках составных частей корпуса 1 выполнены отверстия для формирования камер 6 и 7.

Плоскость каждой измерительной мембраны 4 расположена под углом к плоскости силовой мембраны 2 и смещена относительно центра силовой мембраны 2 на расстояние L.

Каждый элемент передачи деформации 3 выполнен составным с жесткой и гибкой частями (на фиг.1 эти части выделены с разной толщиной).

Свободные концы жесткой части элементов передачи деформации 3 закреплены в центре соответствующей измерительной мембраны 4 с внутренней ее стороны, а свободные концы гибкой части элементов передачи деформации 3 закреплены в центре силовой мембраны 2 с противоположных сторон.

Волоконные брэгговские решетки расположены непосредственно на наружной стороне каждой измерительной мембраны 4, каждая из которых имеет две чувствительные зоны 11, расположенные по разные стороны от оси деформации 8, проходящей вдоль плоскости измерительной мембраны 4, через среднюю ее часть и параллельно плоскости силовой мембраны 2.

Волоконные брэгговские решетки, воспринимающие деформации измерительной мембраны 4, пропорциональные измеряемым давлениям, размещены в местах максимальной деформации поверхности этой измерительной мембраны 4 (показаны на фиг.2 в виде овальных чувствительных зон 11).

Возможен вариант, при котором на каждой измерительной мембране 4 расположено несколько волоконных брэгговских решеток.

Датчик разности давлений работает следующим образом.

Под действием давления P₁ со стороны камеры 6 и давления Р₂ со стороны камеры 7 на силовую мембрану 2 действует сила, пропорциональная разности давлений в этих камерах, суммарный вектор силы направлен перпендикулярно плоскости силовой мембраны 2.

Жесткие концы элементов передачи деформации 3 закреплены в центрах измерительных мембран 4, плоскости измерительных мембран 4 смещены на величину L относительно центра силовой мембраны 2 и перпендикулярны ее плоскости.

Деформация силовой мембраны 2 вызывает деформации измерительных мембран 4.

Нормальная по отношению к плоскости каждой измерительной мембраны 4 составляющая силы, действующей со стороны элемента передачи деформации 3 на измерительную мембрану 4, незначительна и уменьшена за счет гибкого участка элемента передачи деформации 3.

Деформация измерительной мембраны 4 выражается в виде смещения частей измерительной мембраны 4, расположенных по одну сторону от оси деформации 8, с векторами перемещения в направлении наружной стороны и смещения частей измерительной мембраны 4, расположенных по другую сторону от оси деформации 8, с векторами перемещения в направлении внутренней стороны измерительной мембраны 4.

Деформация измерительных мембран 4 вызывает изменение геометрических размеров участков оптического волокна 9, закрепленных на наружной поверхности каждой измерительной мембраны 4.

Волоконные брэгговские решетки в оптическом волокне 9, расположенные в чувствительных зонах 11 (местах наибольшей деформации измерительных мембран 4), симметричные относительно оси 8, подвергаются растяжению или сжатию.

Точное положение волоконных брэгговских решеток на поверхностях измерительных мембран 4 определяют расчетным путем, исходя из конструктивных особенностей датчика разности давлений и температурных режимов работы.

Таким образом, если волоконная брегговская решетка первой чувствительной части мембраны 4 подвергается растяжению, волоконная брегговская решетка второй чувствительной части мембраны 4 сжимается. Данный дифференциальный принцип измерения позволяет в значительной степени устранить влияние температуры на результат измерений.

Из-за симметрично расположенных измерительных мембран 4 в конструктивно идентичных камерах 6 и 7 достигается снижение погрешности датчика разности давлений, что увеличивает точность измерений.

Допускается использование лишь одной измерительной волоконной брэгговской решетки (работающей на растяжение, либо сжатие) на каждой из измерительных мембран 4, однако использование двух (и более) измерительных волоконных брэгговских решеток повышает достоверность и точность результатов измерения разности давлений ΔР=P₁-P₂.

Деформация (растяжение или сжатие) волоконной брэгговской решетки приводит к изменению ее периода и к изменению спектральных свойств излучения, проходящего или отраженного от нее.

Изменения спектральных свойств излучения выражаются в изменении рабочей (для волоконной решетки Брэгга) длины волны излучения, иначе называемой кодом резонансной частоты решетки Брэгга.

Далее, сигнал передают по оптическому волокну 9 в аппаратуру спектрального анализа для последующей обработки (на фигурах аппаратура спектрального анализа не показана).

Силовая мембрана 2 датчика выдерживает кратковременное воздействие перегрузки рабочим избыточным давлением P₁ или P₂. Это обеспечено наличием опорных поверхностей 10. При перегрузке силовая мембрана 2 ложится на одну из опорных поверхностей 10.

Для учета погрешности измерения, вносимой посредством температурного расширения оптического волокна 9 и материала измерительных мембран 4, помимо одновременного анализа величины растяжения и сжатия волоконных решеток Брэгга, а также, предложенной конструктивной симметрии камер 6 и 7, измерительные каналы датчика разности давлений дополнительно содержат хотя бы одну термокомпенсационную волоконную брэгговскую решетку. Она используется также и для измерения температурных параметров работы датчика. Термокомпенсационная волоконная брегговская решетка сформирована на том же оптическом волокне 9, что и основные измерительные волоконные брэгговские решетки и аналогична им.

Каждая волоконная брегговская решетка датчика разности давлений, в том числе и термокомпенсационная, имеет свой код резонансной частоты, отличный от кода любой другой решетки Брэгга в датчике. Термокомпенсационная волоконная решетка Брэгга может быть расположена в зоне измерительной мембраны 4, не восприимчивой к измеряемой деформации (схематично показана на фиг.3, поз.12). Учет температурных воздействий осуществляют путем обработки и программного анализа спектра сигнала, поступающего в аппаратуру обработки.

Оптическое волокно 9 на каждой измерительной мембране 4 закреплено с обеспечением всесторонней фиксации наружной оболочки оптического волокна 9. Один из возможных вариантов закрепления - «заливка» оптического волокна 9 посредством стеклоприпоя (стеклоцемента). Оптическое волокно 9 с металлизированным покрытием может быть закреплено на поверхности каждой измерительной мембраны 4 и посредством пайки, например, припоем ПСр40.