Оптико-волоконный преобразователь пульсаций температуры и давления Советский патент 1986 года по МПК G01K11/32 G01L23/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, преимущественно, для одновременного измерения пульсаций температуры и давления в жидких и газовых средах.

Целью изобретения является повышение точности измерений пульсаций давления и температуры за счет компенсации погрешностей, вызываемых их взаимным влиянием.

На фиг. 1 приведена общая структурная схема оптико-волоконного преобразователя давления и температуры; на фиг. 2 - конструкция измерительного преобразователя давления; на фиг. 3-5 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Оптико-волоконный преобразователь содержит источник монохроматического света 1, например аргоновый лазер, генерирующий на двух длинах волн }. и v), све- доделитель 2, установленный под углом 45° к оси лазера и выполненный в виде полупрозрачного кубика, с одной стороны которого расположен светофи.аьтр 3, пропускающий первую длину волны Л|, а с другой - глухой светоотражатель 4 на обе длины волны Х| и А,2, опорное 5 и измерительное 6 оптические волокна, перед входными и выходными торцами которых установлены устройства ввода 7 и 8 и вывода 9 и 10 лазерного излучения, выполненные, например, в виде фокусирующих линз, два фотоприемника 11 и 12, оптически согласованные с выходными торцами оптических волокон 5 и 6 с помощью линз (9 и 10), прозрачный светоотражатель 13, например интерференционный светофильтр, пропускающий 2 и отражающий A,|, измерите;:ьный преобразователь давления 14 (фиг. 2), образованный мембраной 15 и двумя отрезками 16 и 17 оптического волокна 6, установленными в корпусе 18 датчика с зазором 19 по отнощению друг к другу на их оптической оси и один из которых, например отрезок световода 16, закреплен неподвижно, а другой отрезок 17 световода механически соединен с мембраной 15 с помощью стойки 20 и имеет возможность перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси. Многовитковое кольцо измерительного оптического волокна б может быть размещено на цилиндрической поверхности корпуса 18.

Оптико-волокнистый преобразователь содержит также оптическое фазосдв.чгающее устройство, выполненное в виде пьезошайбы 21, на которую с натягом на.мотана часть оптического волокна 6, исполнительный механизм 22 фазосдвигающего устройства, например электродвигатель, на валу которого закреплена пьезощайба 21, генератор гармонических колебаний 23, подключенный к пьезощайбе 21, фильтр-пробку 24 и резонансный фильтр 25, регулируемый источник 26 опорного напряжения, блок сравнения

0

5

5

0

5

0

5

27, регистратор 28 температуры и регистратор 29 давления. На выходе фотоприемников 11 и 12 при необходимости могут быть включены усилители 30 и 31. Выход усилителя 30 соединен паралле.тьно с фильтром- пробкой 24 для частоты генератора 23 гармонических колебаний и резонансным фильтром 25, пропускающим только частоту генератора 23 гармонических колебаний 23, частота которого выбирается более высокой по сравнению с частотой среза оптико-волоконного преобразователя.

Выход резонансного фильтра 25 подключен к первому входу блока сравнения 27, ко второму входу которого подключен регулируемый источник 26 опорного напряжения, а к выходу - вход исполнительного механизма 22, при этом выход усилителя 31 подключен к регистратору 29 пульсаций давления и управляющему входу источника 26 опорного напряжения.

Элемент 1 -11 и 13 (фиг. 1) образуют волоконный интерферометр Майкельсона, работающий на длине волны A,i. При этом, оптическое волокно 6, располагаемое в исследуемой среде, чувствительно одновременно как к пульсациям температуры, так и к пульсациям давления.

Приемная мембрана 15, соединенная с концом 17 оптического волокна 6, чувствительная только к пульсациям давления.

Оптические волокна 5 и 6 могут быть как

ОД;10МОДОВЫМИ,ТаК и МНОГОМОДОВЫМИ.

Устройство работает следующим образом.

Сначала осуществляют настройку прибора. Для этог о устанавливают начальную разность фаз между интерферирующими лучами, равной 90°. В этом случае рабочая точка 32 на выходной кривой 3 интерферометра (фиг. 3) располагается в области максимальной крути.зны и линейности (на склоне интерференционной полосы). Включают генератор 23 гармонических колебаний, приводящий пьезошайбу 21 в колебательное состояние, например, на частоте ы, передающееся оптич-ескому волокну 6. Возникающие при этом изменения оптического пути регистрируются фотоприемником 1 1 в виде гар.моннческих изменений светового потока на частоте .

Резонансный фильтр 25 на частоту J переключается тумблером на вход регистратора 28 (связь через тумблер на фиг. 1 отсутствует).

Затем с помощью исполнительного механизма 22 вручную осуществляют плавный поворот пьезощайбы 21, изменяя натяг намотанного на нее оптического волокна 6. Момент достижения максимума выходного сигнала регистрируемого регистратором 28, указывает на установку требуемой начальной разности фаз.

Дальнейщая настройка прибора заключается в подборе такой оптимальной чувствительности мембранного измерительного преобргазователя давления 14, чтобы осуществлялась полная компенсация пульсаций давления исследуемой среды в сигнале, регистрируемом регистратором 28 пульсаций температуры. Для этого создают известное температурное воздействия, к которому чувствительно только многовитковое кольцо 6 измерительного волокна и запоминают полученный на регистраторе 28 результат.

Дополнительно подают пульсацию давления, оказывающую воздействие как на многовитковое кольцо 6, так и на мембранный преобразователь 14. На фотоприемнике 12 появляется сигнал, пропорциональный пульсации давления, а на фотоприемнике 11 - сигнал, пропорциональный пульсации температуры и давления. Причем, с одной стороны, пульсации давления ведут к увеличению фототока, снижаемого с фотоприемника, а с другой стороны,- к его уменьще- нию из-за уменьшения коэффициента оптической связи между отрезками 16 и 17 оптического волокна 6. Путем изменения длины свободного конца отрезка 17 оптического волокна 6 необходимо добиваться такого его положения, при котором изменение величины фототока фотоприемника 11 за счет изменений оптического пути в измерительном волокне 6 под действием переменного давления было бы соответственно равно угЯень- щению величины фототока, получаемого за счет уменьщения коэффициента оптической связи между концами отрезков 16 и 17 волокна, получаемого из-за их относительного смещения.

В процессе измерения исследуемые пульсации температуры и давления одновременно воздействуют на измерительное оптическое волокно 6 и мембрану 15, при этом изменения оптического пути ДпЛ в оптическом волокне 6 происходят как за счет изменения показателя преломления волокна Дп, так и за счет изменения его длины Д1. Суммарная величина изменений оптического пути 34 относительно рабочей точки 32 (фиг. 3) на интерференционной выходной кривой 33 не должна превышать Xi/10. В этом случае в выходном сигнале 35 отсутствуют нелинейные искажения.

Если бы оптико-волоконный преобразователь не содержал мембранного преобразователя давления 14, то в сигнале 35 присутствовала бы неразделимая друг от друга информация как о пульсации температуры, так и пульсациях давления. Изменение величины оптической связи между отрезками 16 и 17 волокна 6, происходящее под действием только переменного давления, приводит к тому, что контрастность интерференционной картины 33 ,(фиг. 3) изменяется тем больше, чем больше величина изменения давления, последовательно принимая вид кривых 36-39 (фиг. 4). При этом суммарный выходной сигнал фотоприемника 11 принимает значения 40-43, уже отображая только входной сигнал 44, соответствующий пульсациям температуры. Этот сигнал после усиления в усилителе 30 регистрируется регистратором 28 пульсаций температуры.

С другой стороны, пульсации давления (на длине волны лазера) отображаются в виде изменений величины фототока фотоприемника 12, которые после усиления в усилителе 31 регистрируются регистратором 29 пульсаций давления.

При изменении статических параметров исследуемой среды (давление, температура)

5 рабочая точка 32 (фиг. 3) за счет изменения начальной разности фаз может попасть на нелинейный участок интерференционной кривой 33, что приведет к нелинейным искажениям входного сигнала 34. Для устранения этого в оптико-волоконном преобра0 зователе предусмотрена автоматическая подстройка начальной разности фаз, осуществляемая следующим образом.

Генератор 23 гармонических колебаний подает на пьезошайбу гармонический сигнал с частотой ш, воспринимаемый фотоприемником 11 в виде гармонических изменений фототока, накладываемых на полезный сигнал 45 (фиг. 5). Резонансный фильтр 25 пропускает частоту ш на блок сравнения 27, а фильтр-пробка 24 не пропускает эту

0 частоту на регистратор 28. Одновременно на другой вход блока сравнения поступает опорный аналогичный сигнал с регулируемого источника 26 опорных напряжений, причем величина опорного сигнала зависит от управляемого сигнала, подаваемого с

5 усилителя 31 на управляемый вход блока 26.

Если рабочая точка 46 на интерференционной кривой 47 (фиг. 5) расположена на линейном участке, величина выходного сигнала 48, проходящего через резонансный

0 фильтр 25, будет равна величине опорного напряжения источника 26 и на выходе блока сравнения 27 не будет сформулировано командного сигнала. В случае смещения рабочей точки на нелинейный участок (например, 49) величина выходного сигнала 50,

проходящего через фильтр 25, будет меньше величины опорного напряжения, и на выходе блока сравнения 27 появится командный сигнал, который приведет в действие исполнительный механизм 22, до момента восQ становления требуемой начальной разности фаз.

Формула изобретения

55 1- Оптико-волоконный преобразователь пульсаций температуры и давления, содержащий источник монохроматического света, светоделитель, опорное и измерительное

оптические волокна, каждое из которых свернуто в многовитковое кольцо и оптически согласовано со светоделителем, фотоприемник, оптически связанный с выходом опорного оптического волокна и подключенный к регистрирующему устройству, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй фотоприемник, оптически связанный с выходом измерительного волокна, полупрозрачный светоотражатель, размещенный между выходом измерительного волокна и вторым фотоприемником, глухой светоотражатель, оптически согласованный через светоделитель с входом измерительного оптического волокна, и измерительный преобразователь давления в виде мембраны, механически соединенной с измерительным оптическим волокном, которое выполнено из двух установленных с зазором на одной оптической оси отрезков световода, один из которых закреплен неподвижно, а второй механически связан с мембраной и установлен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси, при этом регистрирующее устройство выполнено в виде регистратора температуры и регистратора давления, подключенных соответственно к первому и второму фотоприемникам.

2. Преобразователь по п. 1 отличающийся тем, что в него введены оптическое фазо- сдвигающее устройство, выполненное в виде

пьезощайбы, на которую накручено с натягом измерительное оптическое волокно и которая установлена с возможностью углового перемещения относительно своей оси, генератор гармонических колебаний, подключенный к пьезощайбе, исполнительный механизм фазосдвигающего устройства, выполненный в виде электродвигателя, на валу которого закреплена пьезощайба, фильтр-пробка и резонансный фильтр, регулируемый источник опорного напряжения и блок сравнения, при этом выход первого фотоприемника связан с входом регистра пульсаций температуры через фильтр- пробку и через резонансный фильтр с первым входом блока сравнения, второй вход

которого подключен к выходу регулируемого источника опорного напряжения, выход блока сравнения электрически связан с исполнительным механизмом фазосдвигающего устройства, а управляемьш вход регулируемого источника опорного напряжения подключей к выходу второго фотоприемника.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений. Настройка прибора заключается в подборе оптимальной чувствительности мембранного измерительного преобразователя давления 14, чтобы осуществилась компенсация пульсаций давления исследуемой среды в сигнале, регистрируемом регистратором 28 пульсаций температуры. Исследуемые пульсации температуры и давления одновременно воздействуют на измерительное оптическое волокно 6 и мембрану, при этом изменения оптического пути в оптическом волокне 6 происходят за счет изменения показателя преломления волокна и за счет изменения его длины. Для устранения нелинейных искажений входного сигнала в оптико-волоконном преобразователе предусмотрена автоматическая подстройка начальной разности фаз. Генератор 23 гармонических колебаний подает на пьезошайбу 21 гармонический сигнал, воспринимаемый фотоприемником 11. Резонансный фильтр 25 пропускает частоту на блок 27 сравнения, а фильтр-пробка - на регистратор 28. Одновременно на блок 27 сравнения поступает опорный сигнал с источника 26 опорных напряжений, величина которого зависит от управляемого сигнала с усилителя 31. Точность измерений пульсаций давления и температуры происходит за счет компенсации погрешностей, вызываемых их взаимным влиянием. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. i (Л IND ел о 00 ел ел

Г5

фиг.2

фиеЛ

фаг. 5