ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения разности давления в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники, АЭС, нефтегазовой отрасли и др.

Известно устройство, в котором под воздействием переменного акустического поля свет модулируется тонкой шторкой из титановой фольги, прикрепленной к гибкой мембране. Свет от светодиода поступает через разветвитель по волоконному световоду в полость, где расположена шторка, модулированный свет по другому световоду направляется на фотодиод [Световодные датчики/ Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - С.15].

Недостатками этого устройства являются низкая чувствительность преобразования из-за существенных потерь оптической мощности в разветвителях, из-за потерь светового потока в процессе передачи его от подводящих оптических волокон к отводящим оптическим волокнам в пределах апертурного угла оптических волокон, а также высокая погрешность, обусловленная неинформативными изгибами оптических волокон при воздействии внешних механических факторов, например при сборке датчиков, при испытаниях, при эксплуатации, которые ведут к существенным неинформативным потерям оптического сигнала при его прохождении по оптическим волокнам.

Указанные недостатки устранены в волоконно-оптическом преобразователе перемещений, содержащем соосно расположенные непрозрачную шторку с отверстием, жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки [патент RU 2290606 С1, опубл. 27.12.2006, бюл. №36].

Недостатком данного устройства является невозможность его использования для измерения разности давления большого значения, так как шторка имеет малую толщину, порядка 0,2…0,3 мм (для стандартных оптических волокон), и возможна ее поломка при больших нагрузках.

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводящей мембраной на две полости, в каждой из которых выполнена изоляционная вставка с подводящим каналом по центру и вогнутой рабочей поверхностью, снабженной электродом, обращенным в сторону мембраны, и два разделительных узла с разделительными мембранами, полости узлов и чувствительного элемента заполнены диэлектрической жидкостью, каждый из электродов разделен на два электрода, выполненных в виде двух проводящих, электрически не связанных между собой колец, причем каждое кольцо электрически соединено с соответствующим ему наружным выводом [патент 2263291].

Известен измерительный преобразователь разности давлений, содержащий корпус, в котором выполнена герметичная полость с разделительной жидкостью и установлен тензомодуль с тензорезисторами, погруженными в разделительную жидкость, и рычагом, соединенными через тягу с жестким центром измерительной мембраны, воспринимающей воздействие сред, упругий разделитель в виде сильфона, расположенного концентрично по отношению к рычагу тензомодуля [патент RU 2237875 С2].

Известен датчик разности давления ООО «БД СЕНСОР РУС», содержащий емкостный сенсор, электронный преобразователь, жидкокристаллический дисплей, конструктивно объединенные в алюминиевом или стальном корпусе. Для контакта с высокотемпературными или агрессивными средами применяются выносные мембраны плюсовой и минусовой камер. При малых отклонениях измерительной мембраны под воздействием разности давлений изменяется емкость конденсатора [http://www.bdsensors.ru].

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются измерительные преобразователи разности давлений серии САПФИР-22ДД, содержащие металлические гофрированные мембраны, приваренные по периметру к корпусу, имеющие жесткие центры, соединенные между собой штоком, на котором установлен рычаг, скрепленный с сапфировой мембраной тензопреобразователя. Превышение «плюсового» давления над «минусовым» вызывает деформацию гофрированных мембран, в результате чего появляется смещение штока, что приводит к перемещению рычага и деформации сапфировой мембраны с тензопреобразователем. Изменение профиля мембраны вызывает увеличение и уменьшение сопротивления отдельных участков тензопреобразователя, что отслеживается измерительным блоком, на выходе которого формируется унифицированный сигнал по значению измеряемой разности давлений [bestreferat.ru].

Недостатками вышеперечисленных устройств является их низкая надежность в условиях искро-взрыво-пожароопасности, влияние на результат измерения электромагнитных помех, если при эксплуатации они расположены в зоне установок с сильным электромагнитным полем, очень большие габаритные размеры в случае искро-взрыво-пожаробезопасного исполнения, невозможность их использования в условиях воздействия, повышенных до 500°C, так как их элементная база не рассчитана на такие диапазоны температур. Данные недостатки обусловлены тем, что все перечисленные устройства в своем составе имеют «электрические» измерительные преобразователи, располагаемые в зоне измерения.

Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в высокой надежности и точности измерения из-за потенциальной большой опасности взрыва или пожара, влияния на результат измерения электромагнитных внешних полей, использования компонентной базы и материалов, не работоспособных при высоких температурах.

Предлагается новая конструкция дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления (ДВОДРД), лишенная перечисленных выше недостатков.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1) в ДВОДРД, содержащем корпус, в котором установлены металлические мембраны плюсовой и минусовой камер, имеющие жесткие центры, соединенные между собой штоком с отверстием, соосно с которым расположены подводящий и отводящие оптические волокна двух измерительных каналов, в приемном торце жгута отводящих волокон коаксиально с подводящим оптическим волокном расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения отверстия, новым является то, что корпус выполнен из двух частей, один торец которых предназначен для крепления на объекте, во внутренней полости корпусов расположена вновь введенная несущая деталь, в углублениях которой закреплены мембраны, корпуса плюсовой и минусовой камер и несущая деталь жестко соединены между собой, поверх данного соединения установлено кольцо, внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру корпуса, имеющее прорезь для установки оптических волокон в центральной части несущей детали и для крепления втулки со жгутом оптических волокон, один торец которой повторяет контур прорези кольца, причем корпус, кольцо и втулка со жгутами волокон жестко и герметично соединены между собой, а шток выполнен с боковыми выемками, внутри которых выполнена шторка, в центре которой расположено отверстие, причем высота выемок больше или равна высоте шторки;

2) высота шторки Н определяется выражением:

где Z - максимальный прогиб центра мембраны;

R₀ - радиус отверстия в шторке, определяемый выражением

где t_ШТ - толщина шторки;

l - расстояние между подводящим оптическим волокном и шторкой, определяемое выражением

где d_C, d_OB, Θ_NA - диаметр сердцевины, внешний диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно;

3) в отверстии штока ДВОДРД по п.1 расположена цилиндрическая линза, диаметр которой определяется, исходя из выражений:

где r_Ц - радиус цилиндрической линзы;

l₁ - расстояние между излучающим торцом подводящего оптического волокна и приемной боковой поверхностью линзы;

l₂ - расстояние между приемными торцами отводящих оптических волокон и излучающей боковой поверхностью линзы;

Θ_ВХ - угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно, определяемый выражением:

где n_В, n_Ц - коэффициенты преломления среды между оптическими волокнами и линзой и материала линзы соответственно,

а высота шторки H определяется выражением:

где Δ - технологический допуск, определяемый способом крепления линзы в шторке.

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающим заявляемый технический результат.

Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.

На фиг. 1 приведена расчетно-конструктивная схема предлагаемого ДВОДРД, на фиг. 2,а и е - упрощенная конструкция ДВОДРД, на фиг. 2,б-д - различные варианты шторок с отверстиями, на фиг. 3 - схема расположения оптических волокон в приемном торце волоконно-оптического кабеля первого дифференциального преобразователя перемещения, на фиг. 4 - расчетно-конструктивная схема второго дифференциального преобразователя перемещения (с цилиндрической линзой).

ДВОДРД содержит подводящее оптическое волокно (ПОВ) 1, шток 2 с отверстием, отводящие оптические волокна (ООВ) 3 первого измерительного канала, отводящие оптические волокна (ООВ) 4 второго измерительного канала, отрезок технологического волокна или цилиндрическую деталь 5 (ее применение необязательно), мембраны 6 и 7 с жестким центром плюсового и минусового давления соответственно (см. фиг.1).

Левая граница отверстия в штоке 2 расположена на расстоянии /относительно торца ПОВ 1, определяемом выражением (3). Правая граница отверстия в штоке 2 расположена на расстоянии s относительно торцов ООВ 3 и 4 первого и второго измерительных каналов. Торцы ООВ 3 и 4 первого и второго измерительных каналов расположены на расстоянии L от ПОВ 1.

Технологическое оптическое волокно (или цилиндрическая деталь) 5 необходимо для симметризации ООВ 3 и 4. Вокруг технологического волокна 5 расположены приемные торцы отводящих оптических волокон 3 и 4, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении Z перемещения штока 2 (соответствует перемещению центра мембран при воздействии давления). Количество ООВ в первом и втором измерительных каналах равно между собой (например, по одному на каждый канал).

Оптические волокна с помощью несущей детали 8 неподвижно закреплены в корпусе 9 (см. фиг.2). Деталь 8 имеет и сквозное отверстие для установки ООВ 3 и 4 круговые прорези для установки ПОВ 1 (на чертеже не показан) относительно отверстия в штоке 2 на расчетных расстояниях. В торцевых углублениях несущей детали 8 неподвижно закреплены мембраны (например, с помощью сварки по периметру). Корпус 9 выполнен из двух частей, например, один торец которых выполнен в виде штуцера, а по периметру другого торца выполнены выемки для сварки.

Корпуса 9 плюсовой и минусовой камер и несущая деталь 8 соединены между собой сваркой, поверх данного соединения установлено кольцо 10, внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру корпуса 9, имеющее сквозную прорезь для установки оптических волокон в несущей детали 8. Во втулке 11 установлен общий жгут оптических волокон ПОВ 1 и ООВ 3 и 4. Втулка выполнена в виде полого цилиндра, на одном торце которого жестко, например, с помощью сварки установлена пластина, повторяющая контуры прорези в кольце 10. Для обеспечения герметичности конструкции датчика корпус 9, кольцо 10 и втулка 11 соединены между собой сваркой.

ПОВ 1 подстыковывается к источнику излучения 12, а ООВ 3 и 4 первого и второго измерительных каналов - к приемникам излучения (ПИ) 13 и 14 первого и второго измерительных каналов соответственно.

ДВОДРД работает следующим образом.

Часть светового потока источника излучения ИИ 12 по ПОВ 1 подается в зону измерения. Световой поток Ф₀ с выхода ПОВ 1 под апертурным углом Θ_NA падает на шторку в штоке 2, проходит сквозь нее. Часть оптического излучения Ф₁(Z)=Ф₁(ΔP) проходит через отверстие в шторке, поступает на приемные торцы ООВ 3 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф₂(Z)=Ф₂(ΔP) - на приемные торцы ООВ 4 второго измерительного канала. Превышение «плюсового» давления над «минусовым» вызывает деформацию мембран 6 и 7, в результате чего появляется смещение штока 2, что приводит к перемещению на значение Z отверстия в шторке, сформированной в теле штока 2, относительно ООВ 3 и 4. Перемещение отверстия ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф₁(Z) и Ф₂(Z), поступающих далее по ООВ 3 и 4 на светочувствительные площадки ПИ 13 и 14 (фотодиодов) первого и второго измерительных каналов соответственно.

Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические l₁ и l₂, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ), отнесенного в безопасные условия из искро-взрыво-пожароопасной зоны на расстояние 100…2000 м. В БПИ осуществляется операция деления сигналов l₁ и l₂, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. Для повышения чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности сигналов l₁ и l₂ к их сумме.

Аналогичные преобразования происходят в ДВОДРД, если в отверстии расположена цилиндрическая линза 15 (фиг.2,д). Отличие заключается лишь в том, что в этом случае уменьшаются световые потери в зоне измерения, так как линза 15 выполняет роль не только модулирующего, но и фокусирующего элемента.

Для эффективного функционирования ВОДРД необходимо провести расчет оптической системы, который заключается в определении ряда конструктивных параметров, обеспечивающих эффективный ввод излучения из ПОВ 1 в ООВ 3 и 4, высокую чувствительность преобразования оптического сигнала (так как большая часть светового потока излучения теряется в оптической системе), равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов ООВ, минимальные габаритные размеры датчика.

В результате расчета должны быть определены следующие параметры: радиус отверстия в шторке R₀, расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l, расстояние от шторки до приемного торца ООВ s, расстояние от излучающего торца ПОВ до приемного торца ООВ L, толщина шторки t_шт.

В конструкции датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком, в которой при Z_i=0, когда центр изображения совпадает с осью приемных торцов ООВ, открыты верхняя половина ООВ первого измерительного канала и нижняя половина ООВ второго измерительного канала (см. фиг.1). При этом для того, чтобы потоки Ф₁ и Ф₂, поступающие в ООВ каждого канала, были равны, важно, чтобы поверхности шторки 2 и ООВ 3 и 4 были освещены равномерно.

Это достигается расположением шторки на расстоянии l>L_Ф и расположением ООВ на расстоянии L>l+t_шт.

Из треугольника MNF (см. фиг.1)

из треугольника ОВС

Толщина шторки t_шт выбирается из следующих соображений: она должна быть как можно тоньше для уменьшения потерь светового потока, в то же время она должна быть надежной и не прогибаться при воздействии механических воздействий. Рекомендуемые значения толщины шторки 0,2…0,3 мм.

Из уравнения (9) расстояние от излучающего торца ПОВ до шторки l определится следующим образом:

Наиболее оптимальное расположение ООВ в плоскости А-А, когда изображение излучающего торца ПОВ будет представлять собой кольцо площадью S_A-A. В нейтральном положении при Z_i=0 кольцо перекрывает сердцевины всех оптических волокон. Внутренний R_ВНУТ и внешний R_ВНЕШ радиусы кольца определяются следующими выражениями:

Тогда

В качестве примера для расчета оптической системы датчика использованы параметры оптического волокна ТХО.735.123 ТУ: диаметр оптического волокна d_ОВ=500 мкм, d_c=200 мкм, апертурный угол Θ_NA=12°. Толщина шторки выбрана t_шт=0,25 мм. В соответствии с графическим построением принято l=1,57 мм. Тогда R₀=0,34 мм; l=1,53 мм;

Большой глубины модуляции оптического сигнала (до 30%) можно добиться, перемещая шторку вдоль оси Z вверх или вниз относительно ОВ приблизительно на 0,5 d_c. Таким образом, при d_c=200 мкм перемещение по оси Z составит 100 мкм. Исходя из этого значения рассчитываются параметры мембран с жестким центром, соединенные штоком.

В первом дифференциальном преобразователе перемещения модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия части светового потока перемещающимся непрозрачным экраном.

Функция преобразования Ф(Z) одного измерительного канала имеет вид

где К_о - коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне измерения;

К_шт(Z) - коэффициент передачи тракта «подводящее оптическое волокно ПОВ - шторка - отводящее оптическое волокно ООВ»;

Ф_о - начальный световой поток на выходе ПОВ.

Для целенаправленного управления поведением функции преобразования необходимо, чтобы коэффициент К_o равен 1. Очевидно, что при К_o=1 поведение функции преобразования Ф(Z) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта, то есть коэффициента К_шт(Z).

Расчетная схема измерительного преобразователя датчика при управлении световым потоком при помощи шторки с круглым отверстием, перемещающейся вдоль оси Z, представлена на фиг. 1 и 3

При соосном расположении ПОВ и ООВ

где n - количество ООВ;

S_Zi - освещенная часть поперечного сечения сердцевины ООВ;

S_С - площадь поперечного сечения сердцевины ОВ;

S_A-A - площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А расположения приемных торцов ООВ.

В соответствии с фиг.1

S_A-A=(Ltgθ_NA+r_с)²,

где L - расстояние между излучающим торцом ПОВ и плоскостью, в которой расположены приемные торцы ООВ, L=d_ОВ/tgθ_NA,

соответственно

то есть определяется параметрами выбранного оптического волокна.

Площадь сечения S_Z зависит от смещения шторки в направлении Z.

Найдем в качестве примера S_Z для ООВ3:

Площадь S_Z3 представляет собой сумму площадей двух круговых секторов S₁₃ и S₂₃, образованных взаимным пересечением двух окружностей: радиусом r_c, равным радиусу сердцевины ОВ, и радиусом R_сп, равным радиусу светового потока, прошедшего через отверстие в шторке в плоскости расположения приемных торцов ООВ. Причем

Расстояние L выбирается таким образом, чтобы световой поток в плоскости А-А полностью перекрывал торцы ООВ в нейтральном положении шторки (при Z=0).

В соответствии с фиг.3

но

соответственно

тогда с учетом выражений (17)-(20) для S_z3 получим:

По аналогии с S_Z3 находим S_Zi, имеем:

где i=1…n,

здесь n - количество отводящих оптических волокон.

Как видно из выражений (21) и (22), они отличаются параметрами a_i.

Найдем параметры a_i. В качестве примера найдем а₃(l) третьего ООВ первого измерительного канала ООВ3(l) (волокна расположены выше оси Y).

Из треугольника A₃O₃(I)O_Z

где D₃=O₃(I)O_Z.

Из треугольника O₂(I)O₃(I)O_Z

где Z_i - смещение шторки вдоль оси Z;

γ=360°/n.

По аналогии с а₃ и D₃ находим а_i и D_i, где i=1…n, здесь n - количество отводящих оптических волокон, и имеем

В общем случае, когда имеется n ООВ, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси, расстояние D_i(I) первого измерительного канала для волокон, расположенных выше оси Y (см. фиг.3), рассчитывается по формуле (25), а для волокон второго измерительного канала, расположенных ниже оси Y, - по формуле (26)

С учетом выражений (13)-(15), (26) выражение (12) для одного измерительного канала (например, первого) перепишется следующим образом:

где a_i, D_i определяются выражениями (24)-(26);

R_сп - выражением (17).

Во втором дифференциальном преобразователе перемещения модуляция оптического сигнала осуществляется за счет изменения кривизны границы сред «газ-стекло» при перемещении под действием давления в составе штока цилиндрической линзы.

На фиг. 4 изображено световое пятно, расположенное в области торцов ООВ, при начальном положении цилиндрической линзы z_i=0.

Рассмотрим область пересечения светового пятна с сердцевиной одного из ООВ. Площадь сегмента определяется через формулу криволинейной трапеции, ограниченную эллипсом и окружностью x²+(y-d)²=R²

Для того чтобы определить координаты точек пересечения светового пятна (эллипса) и сердцевины ОВ (окружности), необходимо решить систему уравнений для каждой из фигур

где d - межцентровое расстояние эллипса и окружности,

Разделив данное выражение на b², получим квадратное уравнение

Зависимость межцентрового расстояния d и перемещения цилиндрической линзы z_i определяется линейной функцией d(z)=p₁z₁+р₂. Коэффициенты p₁ и p₂ являются коэффициентами аппроксимирующей функции. Например, если мембраны под действием давления прогибаются в диапазоне ±20 мкм, то функция d(z) примет вид:

Малая полуось эллипса a и большая полуось b определяются по формулам:

где Θ_ВХ1 определяется по формуле (6)

Освещенная площадь приемных торцов ООВ определяется следующими формулами. Верхний знак - перемещение цилиндрической линзы вверх, нижний знак - вниз, относительно начального положения z_i=0.

Для первого канала (ООВ1):

Для второго канала (ООВ2):

Площадь освещенной зоны в плоскости приемных торцов ООВ представляет собой эллиптическое кольцо, границами которого являются крайние лучи ПОВ

где a_Бb_Б,a_Мb_М - полуоси большого и малого эллипса соответственно.

Таким образом, функция преобразования ВОПП примет вид:

В результате расчета должны быть определены следующие параметры: расстояние между торцом ПОВ и поверхностью цилиндрической линзы l₁, поверхностью линзы и торцами ООВ l₂, радиус цилиндрической линзы r_ц.

Так как в конструкции преобразователя используется дифференциальная схема управления световым потоком, важно, чтобы поверхность линзы 1 была освещена равномерно. Для равномерного освещения и увеличения освещенности линза 1 должна находиться от излучающего торца ПОВ 2 на минимальном расстоянии, равном двум дистанциям формирования L_Ф светового потока

Так как увеличение расстояния между излучающим торцом ПОВ 2 и цилиндрической линзой 1 может привести к выводу линзы 1 из зоны освещения, необходимо расположить ее не далее, чем:

где

Подставляя (44) и (45) в (43), получим:

Минимальное расстояние от ПОВ 1 до поверхности цилиндрической линзы 15 определяется следующим выражением:

Окончательно с учетом выражений (48) и (47) расстояние l₁ определится выражением (4).

Из ΔАВО:

В соответствии с законом Снеллиуса

Приемные торцы отводящего оптического волокна относительно боковой поверхности линзы расположены на расстоянии

где Θ_ВХ - угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно,

Согласно формулам (48)-(52) после ряда преобразований формула (54) примет вид (6).

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

Предложенная конструкция ДВОДРД имеет высокую надежность в условиях искро-взрыво-пожароопасности воздействия электромагнитных помех, если при эксплуатации они расположены в зоне установок с сильным электромагнитным полем, небольшие габаритные размеры могут использоваться в условиях воздействия повышенных до 500°C.

Предложенный ДВОДРД реализует дифференциальное преобразование светового потока в зоне измерения, чем достигаются более линейная функция преобразования, более высокая точность измерения разности давления в условиях воздействия внешних воздействующих факторов. Значительно снижается влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля, снижаются погрешности, обусловленные изменением мощности источников излучения, неточностью юстировки оптических волокон и шторки относительно друг друга, так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в обоих измерительных каналах, которые не влекут изменения их отношения.