Оптический измеритель вариаций давления мембранного типа Российский патент 2025 года по МПК G01L23/06 G01B9/02 

Изобретение относится к области геофизики и измерительной техники и может быть использовано для измерений микроколебаний динамического давления жидкостей в оптических измерителях давления с чувствительным элементом мембранного типа.

Оптические измерители вариаций давления жидкости мембранного типа, как правило, лазерные гидрофоны, герметичный корпус, в котором размещены источник монохроматического излучения, система регистрации, оптическая система, выполненная по схеме интерферометра Майкельсона с неподвижным и подвижным отражателями, и систему компенсации внешнего давления. При этом подвижный отражатель оптической системы является одновременно и чувствительным элементом системы. Основными конструктивными отличиями таких устройств являются отличия в построении оптической системы и системы компенсации внешнего давления.

Известен, например, оптический измеритель давления на основе интерферометра Майкельсона, в котором подвижный отражатель оптической системы и одновременно чувствительный элемент представляет собой анероидную коробку или блок из последовательно соединенных между собой одинаковых анероидных коробок, незакрепленный конец которых снабжен светоотражающим покрытием (п. РФ №45528 U1).

Известен оптический измеритель давления, выполненный по схеме равноплечего интерферометра Майкельсона, в которой неподвижный отражатель реализован в виде двух плоско-параллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу и связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, а подвижный отражатель оптической системы представляет собой мембрану с нанесенным светоотражающим покрытием, которая одновременно является одним из торцов корпуса и выполнена съемной. Для повышения точности измерений и обеспечения жесткого закрепления элементов устройства оптическая часть установлена на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением (п. РФ №58216 U1, п. РФ №2159925).

Известен оптический измеритель давления на основе интерферометра Майкельсона, в оптической системе которого неподвижный отражатель выполнен в виде плоскопараллельного зеркала, а светоделитель интерферометра представляет собой делительный куб, в объеме которого выполнена грань для разделения лучей, ориентированная под углом к оптической оси коллиматора, при этом чувствительный элемент, выполнен как элемент стенки корпуса в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием (п. РФ №171583).

Известен оптический измеритель вариаций давления, выполненный по схеме интерферометра Майкельсона, содержащий систему компенсации внешнего давления, которая включает оборудованную секущим клапаном компенсационную камеру, образованную торцевой стенкой корпуса измерителя, снабженную съемной мембраной, и параллельно ей установленной перегородкой. Подвижный отражатель такой оптической системы выполнен в виде зеркала, неподвижно установленного на одном конце штока, второй конец которого через подвижное радиальное уплотнение отверстия перегородки присоединен к центру мембраны (п. РФ №2742935).

Для всех известных оптических измерителей, имеющих мембраны в качестве чувствительного элемента, до начала измерений требуется предварительное проведение компенсации внешнего давления для исключения вдавливания мембраны устройства внутрь при его возрастании. Это происходит при погружении прибора на рабочую глубину и росте высоты столба жидкости над ним. Процесс осуществляется системой компенсации внешнего давления путем подачи воздуха в корпус или в специально предназначенный отсек - компенсационную камеру, для чего измеритель оборудуют возможностью подключения дополнительного эластичного резервуара с весьма большим объемом воздуха (во много раз превышающего объем внутренней полости, участвующей в процессе компенсации давления), присоединяемого к корпусу измерителя перед началом использования. С началом погружения по мере увеличения внешнего давления резервуар сжимается и тем самым поддерживает равенство внешнего давления внутреннему давлению в полости корпуса.

Наиболее близким к заявленному устройству является оптический измеритель вариаций давления, предложенный в п. РФ №71163 U1, который представляет собой герметичный корпус, содержащий систему регистрации, оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона и систему компенсации внешнего давления. Оптическая система содержит монохроматический источник излучения, неподвижный отражатель связанный с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути и включающей фотодетектор и блок накопления и хранения информации; подвижный отражатель, являющийся одновременно и чувствительным элементом, выполненный в виде одной из сторон корпуса в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием. Система компенсации внешнего давления включает компенсационную камеру, образованную торцевой стенкой корпуса, снабженной съемной мембраной, и параллельно ей установленной перегородкой, изготовленной либо из металла со светопрозрачным окном для прохождения измерительного луча, либо целиком из оптически прозрачного материала.

Для создания в этом компенсационном отсеке давления, равного постоянному внешнему давлению, в компенсационной камере предусмотрен клапан, соединенный с газовым резервуаром, из которого закачивается/откачивается газ под давлением, равным среднему внешнему давлению жидкости на внешней поверхности мембраны.

Активация процесса выравнивания давления при опускании измерителя на рабочую глубину производится оператором вручную путем подачи напряжения на привод клапана, отсекающего резервуар с запасом газа (обычно воздуха) от отсека компенсационной камеры.

Такая обычная система компенсации давления в оптических измерителях вариаций давления мембранного типа имеет существенные недостатки. Суть их в том, что при проведении длительного измерительного процесса возникающие сгонно-нагонные явления изменяют высоту столба жидкости в месте работы прибора и центр измерительной мембраны смещается от нейтрального положения. При этом нарушается линейность зависимости величины смещения центра мембраны от величины перепада измеряемого давления, а также происходит ухудшение качества интерференционной картины, что негативно сказывается на чувствительности интерферометра и, соответственно, точности измерений.

Заявляемый оптический измеритель вариаций давления мембранного типа расширяет арсенал технических средств аналогичного назначения за счет разработки оптического измерителя вариаций давления при проведении длительных измерений либо при работе в условиях значительных перепадов столба жидкости над прибором с высокой точностью за счет устранения прогибов измерительной мембраны при изменении высоты столба жидкости в месте работы прибора.

Заявляемый оптический измеритель вариаций давления мембранного типа (далее ИЗМЕРИТЕЛЬ) включает герметичный корпус, содержащий систему регистрации, оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона, включающую монохроматический источник излучения, неподвижный отражатель, связанный с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути и включающей фотодетектор и блок накопления и хранения информации; подвижный отражатель, являющийся одновременно чувствительным элементом, представляющим собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, параллельно которой установлена перегородка, выполненная из оптически прозрачного материала либо снабженная оптически прозрачным окном для прохождения измерительного луча, образуя компенсационную камеру, снабженную секущим электромагнитным клапаном, при этом на наружной стенке корпуса дополнительно установлен датчик внешнего давления, а внутри корпуса соединенный с датчиком электронный блок управления, процессор которого снабжен программой, которая, используя данные с датчика давления, по заданному алгоритму открывает и закрывает соединенный с блоком управления секущий электромагнитный клапан, выравнивая давление внутри компенсационной камеры при изменении внешнего давления.

Электронная автоматическая система компенсации внешнего давления ИЗМЕРИТЕЛЯ может быть реализована с использованием, например, блока управления системы - на базе процессора ATmega328, датчик давления, например, на базе МПД-04, а в качестве секущего электромагнитного клапана, например, GEVAX 1901R-KDV. Процессор блока управления, используя данные полученные с датчика давления, герметично установленного в наружную стенку корпуса ИЗМЕРИТЕЛЯ, управляет открытием и закрытием клапана, отделяющего полость компенсационной камеры от эластичной емкости с запасом воздуха для компенсации.

Алгоритм работы микропрограммы в процессоре блока управления подразумевает последовательное измерение мгновенных значений давления, производимых датчиком давления, например, с дискретностью 0,1 Гц и сравнение последних двух замеров. В зависимости от разности этих значений, процессор принимает решение действовать по одному из двух сценариев. Первый возникает при изменении внешнего давления во время спуска под воду и поднятии измерительного прибора, второй при изменении средней величины гидростатического давления в результате сгонно-нагонных явлений.

Например, теоретически, с учетом скорости спуска ИЗМЕРИТЕЛЯ в 0,5 м/сек,

- при несовпадении предыдущего и текущего мгновенных значений давления более чем на 0,05 бар (с учетом погрешности измерений датчиком ±0,5%), процессор блока управления подает команду на открытие секущего клапана и оставляет его открытым в течение 5 минут, после чего закрывает.

- при несовпадении предыдущего и текущего мгновенных значений давления менее, чем на 0,05 бар (с учетом погрешности измерений датчиком ±0,5%), процессор блока управления начинает последовательное накопление значений величины давления и вычисляет среднее значение давления за фиксированный период (например, за 24 часа с дискретностью 0,1 Гц). При несовпадении полученной величины со средним значением из предыдущей серии накопления (допускаемая погрешность не более 5%), процессор открывает секущий клапан. При открытом секущем клапане продолжает проводиться измерение давления и при совпадении значений двух последующих мгновенных замеров давления с датчика (с учетом погрешности измерений датчиком ±0,5%), процессор посылает команду закрытия секущего клапана.

При работе по любому из двух указанных сценариев, по завершении процесса компенсации гидростатического давления, клапан закрывается, чтобы вариации внешнего давления, производящие воздействие на эластичную емкость, не оказывали влияния на измерительную мембрану через открытый клапан с внутренней ее стороны и не нарушали измерительный процесс, проводимый интерферометром ИЗМЕРИТЕЛЯ.

Оптическая система заявляемого ИЗМЕРИТЕЛЯ можем быть выполнена по любой известной схеме интерферометра Майкельсона, допускающей возможность использования в качестве подвижного отражателя и одновременно чувствительного элемента, мембраны, например, как патентах из приведенных в описании уровня техники (РФ №2742935 С1, №2159925 С1, №58216 U1).

Для повышения точности измерений и обеспечения жесткого закрепления элементов устройства оптическая часть может быть установлена на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением, например, инвар.

Для учета влияния температуры на измеряемую величину вариаций давления, то есть повышения точности измерений, ИЗМЕРИТЕЛЬ может быть дополнительно снабжен температурным зондом, данные которого передаются в систему регистрации, которая осуществляет вычисление необходимых поправок.

Таким образом, заявляемая конструкция оптического измерителя вариаций давления мембранного типа с предложенной системой компенсации внешнего давления проста в использовании, позволяет улучшить качество интерференционной картины на фотодетекторе интерферометра за счет устранения возникновения прогибов измерительной мембраны при изменении высоты столба жидкости в месте работы прибора, которые образуются вследствие сгонно-нагонных явлений. Кроме того, система освобождает оператора от необходимости проводить процесс компенсации давления при установке и поднятии прибора, исключает ошибки при проведении этой операции, дает возможность использования кабеля для подключения прибора к береговой инфраструктуре с меньшим числом токоведущих жил.

Изобретение относится к области геофизики и измерительной техники, используется для измерений микроколебаний давления в оптических измерителях давления с чувствительным элементом мембранного типа. Измеритель включает герметичный корпус с компенсационной камерой, оборудованной секущим клапаном, систему регистрации, оптическую систему с интерферометром Майкельсона, включающую монохроматический источник излучения, неподвижный отражатель, подвижный отражатель в виде съемной мембраны, являющийся одновременно чувствительным элементом, и торцевой стороной корпуса, и стороной компенсационной камеры, электронную автоматическую систему компенсации внешнего давления с электронным блоком управления. На внешней поверхности корпуса установлен датчик внешнего давления, соединенный с электронным блоком управления системы компенсации, который соединен с секущим клапаном. Технический результат - улучшение качества интерференционной картины интерферометра оптического измерителя вариаций давления за счет устранения прогибов измерительной мембраны при изменении высоты столба жидкости в месте работы прибора, исключение ошибок при проведении выравнивания давления во время подъемов и спусков прибора оператором; возможность использования кабеля для подключения с меньшим числом токоведущих жил. 2 з.п. ф-лы.

1. Оптический измеритель вариаций давления мембранного типа, включающий герметичный корпус, содержащий систему регистрации, оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона, включающую монохроматический источник излучения, неподвижный отражатель, связанный с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути и включающей фотодетектор и блок накопления и хранения информации; подвижный отражатель, являющийся одновременно чувствительным элементом, представляющим собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, параллельно которой установлена перегородка, выполненная из оптически прозрачного материала либо снабженная оптически прозрачным окном для прохождения измерительного луча, образуя компенсационную камеру, снабженную секущим электромагнитным клапаном, отличающийся тем, что на наружной стенке корпуса дополнительно установлен датчик внешнего давления, а внутри корпуса соединенный с датчиком электронный блок управления, процессор которого снабжен программой, по которой, используя данные с датчика внешнего давления, по заданному алгоритму открывает и закрывает соединенный с блоком управления секущий электромагнитный клапан, выравнивая давление внутри компенсационной камеры при изменении внешнего давления.

2. Оптический измеритель вариаций давления мембранного типа по п.1, отличающийся тем, что оптическая система на основе интерферометра Майкельсона установлена на оптической скамье, изготовленной из материала с малым тепловым расширением.

3. Оптический измеритель вариаций давления мембранного типа по п.1, отличающийся тем, что снабжен температурным зондом, соединенным с системой регистрации.