Устройство для измерения давления Советский патент 1990 года по МПК G01L11/00 G01L7/06 

Изобретение относится к технике измерения давления газов и жидкостей в частности устройство может быть применено в метеорологии для регистрации атмосферного давления.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых давлений и уменьшение температурной погрешности.

На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства с продольным разрезом датчика давления; на фиг.2 - приемные окна оптиковолоконных матг- риц, вид сверху.

Устройство имеет заполненный прозрачной жидкостью сильфон 1, который установлен на основании 2, внутри сильфона 1 на его подвижном дне 3 соосно установлен заполненный газом сильфон 4, имеющий подвижное дно 5. В стенке дна 3 и 5 герметично укреплено оптическое волокно излучающего световода 6, изогнутый участок 7 которого расположен внутри сильфона 4. Передающий торец 8 световода 6 расположен в сильфоне 1, ориентирован параллельно оси камеры и имеет прямое передающее окно, а перед приемным окном световода 6 расположе источник 9 света. На основании 2 герметично установлены приемные окна оптиковолоконных матриц 10 и 11. Передающие окна 12 и 13 соединены с приемными окнами посредством световодов 14 и 15. Окно 13 выведено на визуальную шкалу 16, а перед окном 12 установлен многоэлементный фотоэлектрический приемник 17. Оптические световоды 6, 14 и 15 имеют свето ведущие сердцевины 18 и оптические оболочки 19.

Сильфон 1 воспринимает изменения внешнего давления и передает их силь0

5

0

5

0

5

0

5

фону 4, основание 2 служит основой для монтажа сильфона 1 и окон оптиковолоконных матриц 10 и 11. Сильфон 4 воспринимает изменения давления в сильфоне 1. Излучающий световод 6 предназначен для передачи света от .источника 9 на приемные окна матриц 10 и 11. Торец 8 световода 6 формирует световой конус в пределах апертур ного угла. Участок 7 предназначен для осуществления свободного перемещения дна 5 сильфона 4. Приемные окна матриц 10 и 11 предназначены для регистрации границ светового пятна от света, излучаемого оптическим световодом 6 через торец 8. Передающее окно 13 служит вместе со шкалой 16 для визуальной регистрации показаний прибора, передающее окно 12 служит для передачи оптических сигналов на фотоэлектрический приемник 17, который вь рабатывает электрические сигналы для передачи в электронную схему регистрации. Сердцевина 18 световодов служит для переноса света, а оптическая оболочка 19 для каналирова.ния ; света в пределах апертурного угла. Заштрихованный участок фиг.2 показывает возможное положение светового пятна на приемных окнах матриц 10 и 11.

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Давление жидкости в сильфоне 1 и давление газа в сильфоне 4 поддерживаются равными (если пренебречь жесткостью стенок сильфонов) внешнему давлению атмосферы. При данном значении последнего устанавливается определенное расстояние между излучающим свет торцом 8 и приемными

окнами матриц 10 и 11. При заданном значении апертурного угла световода 6 освещено световым конусом соответствующее число равноудаленный от центра оптических волокон матриц -10 и 11. Число освещенных оптических волокон, зависящее от внешнего давления, отмечают на оптической шкале

1597630

ную зависимость показаний прибора от изменений внешнего давления.

Изменение объема сильфонов 1 и 4 связано не только с вариациями внеш него давления, но, если не принять мер против этого, может зависеть от изменений температуры окружающей среды. Для рассмотрения вопроса о

:LL--- r;i€r г

приоора введем обозначения: V и v - объемы сильфонов 1 и 4/з

ческого приемника 17. При повьш1ении внешнего давления сильфон 1 сжимается, давление через жидкость передается на сильфон 4, который также сжимается и давление газа в нем уравновешивается с давлением внешней среды. При этом сокращение расстояния мевду поверхностью основания 2 и дном 3 сштьфона 1 будет меньше, чем сокра- . щение расстояния между днищами 3 и 5 сильфонов в DVd крат, где D - диаметр внешнего сильфона 1, а d - диаметр внутреннего сильфона 4. Таким образом, при увеличении внешнего давления расстояние между торцом 8 оптического световода 6 и приемными окнами матриц 10 и 11 светопреобра- зователя увеличивается и число освещенных торцов световодов 14 и 15 также возрастает, что отображается на шкале 16 и на показаниях приемника 17. При уменьшении внешнего давления сильфоны 1 и 4 растягиваются, но величина растяжения сильфона 4 преобладает над величиной растяжения сильфона 1. В результате расстояния между торцом 8 световода 6 и приемными окнами матриц 10 и 11 сокращается и число освещенных волоконных световодов 14 и 15 пропорционально уменьшается, что приводит к изменению отсчета по шкале 16 и изменят показания приемника 17. Дифференциальное устройство с двумя силь;фо- нами 1 и 4 позволяет осуществить температурную компенсацию показаний прибора. При апертурных углах оптического световода 6, превьшгающих 90 (с учетом показателя преломления жидкости, заполняющей сильфон), реализует геометрическое усиление зависимости числа освещенных волокон приемных световодов от давления, пропорциональное tg о(/2, где 0 - урол при вершине светового конуса в жид15

20

- -- и - коэффициенты теплового расиирения жидкости, заполняющей сильфон 1, и газа заполняющего сильфон 4, 1, d L D высоты и диаметры сильфонов 4 и.

Если использовать сильфоны и рабо чие среды с такими параметрами, при которых выполняется соотношение

(D -L - ),-()i/5 0,

то в случае изменения температуры при сохранении постоянства внешнего дав- 25 ления сильфоны 1 и 4 изменяют свои объемы с соблюдением условия z31 , т.е. имеется температурная компенсация в интервале, где коэффи- циенты теплового расширения сохраняют 30 постоянные значения.

При выборе рабочей жидкости следует учитывать, что

Пг

п

г,

35

40

где

с/г п „, и п

45

50

а х - апертурный угол оптического волокна световода 6, погруженного в жидкость, то же, находящегося в газе; соответственно показатели прелокп.ения жидкости и газа .

Ввиду того, что поперечное сечение оптических волокон световодов представляет собой центральный круг световедущей сердцевины, который окружен кольцевым слоем оптической оболочки, которая имеет конечную толщину, то для повышения разрешающей

способности путем исключения

пых

слеосукости. Например, при (//2 84 ществляется десятикратное усиление чувствительности. Задавая значения D, d и V , можно выбрать оптималь55

зон приемные окна матриц 10 и 11 целесообразно выполнить в виде цепочки, включающей по крайней мере два ряда световолокон с шахматным расположением (фиг.2). Формула изобретени

Устройство для измерения давления, содержащее датчик давления с упругим

1597630

ную зависимость показаний прибора от изменений внешнего давления.

Изменение объема сильфонов 1 и 4 связано не только с вариациями внешнего давления, но, если не принять мер против этого, может зависеть от изменений температуры окружающей среды. Для рассмотрения вопроса о

приоора введем обозначения: V и v - объемы сильфонов 1 и 4/з

- -- и - коэффициенты теплового расиирения жидкости, заполняющей сильфон 1, и газа заполняющего сильфон 4, 1, d L D высоты и диаметры сильфонов 4 и.

Если использовать сильфоны и рабочие среды с такими параметрами, при которых выполняется соотношение

(D -L - ),-()i/5 0,

то в случае изменения температуры при сохранении постоянства внешнего дав- ления сильфоны 1 и 4 изменяют свои объемы с соблюдением условия z31 , т.е. имеется температурная компенсация в интервале, где коэффи- циенты теплового расширения сохраняют постоянные значения.

При выборе рабочей жидкости слеует учитывать, что

Пг

п

г,

ты. у 35

40

где

с/г п „, и п

45

50

а х - апертурный угол оптического волокна световода 6, погруженного в жидкость, то же, находящегося в газе; соответственно показатели прелокп.ения жидкости и газа .

Ввиду того, что поперечное сечение оптических волокон световодов представляет собой центральный круг световедущей сердцевины, который окружен кольцевым слоем оптической оболочки, которая имеет конечную толщину, то для повышения разрешающей

способности путем исключения

пых

сле55

зон приемные окна матриц 10 и 11 целесообразно выполнить в виде цепочки, включающей по крайней мере два ряда световолокон с шахматным расположением (фиг.2). Формула изобретени

Устройство для измерения давления, содержащее датчик давления с упругим

чувствительным элементом, установленным на основании корпуса, и волоконно-оптический преобразователь с излучающим и приемными световодами, источником света и регистратором, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых давлений и уменьшения температурной погрешности, в нем упругий чувствительный элемент выполнен в виде двух сильфонов разного диаметра, установленных коаксиально, причем первый сильфон с большим диаметром герметично прикреплен к основанию корпуса и заполнен прозрачной жидкостью, а второй сильфон меньшего диаметра своим основанием жестко связан с дном первого сильфона, заполнен газом и его дно расположено с

зазором относительно основания- корпуса, при этом в дне первого и второго сильфонов по оси вьшолнены отверстия, через которые концевая часть излучающего световода, выполненная изогнутой, герметично выведена своим торцом в полость первого сильфона, а приемные световоды вьшолнены в виде двух пучков и своими торцами выведены на поверхность основания корпуса и образуют две приемные матрицы, расположенные по диаметру основания, при этом регистратор вьтол- нен в виде многоэлементного фотоэлектрического приемника, оптически связанного с одним из пучков приемных световодов, и отсчетной шкалы, соединенной с концами приемных световодов второго пучка.

Изобретение относится к технике измерения давления газа или жидкости и может быть использовано, например, в метеорологии. Цель изобретения - расширение диапазона измерения и уменьшение температурной погрешности. Измерительным элементом является камера, состоящая из внешнего сильфона 1, наполненного прозрачной жидкостью, и внутреннего сильфона 4, наполненного газом. При изменении внешнего давления подвижные днища 3 и 5 сильфонов 1 и 4 перемещаются таким образом, что расстояние между ними уменьшается с уменьшением измеряемого давления и наоборот увеличивается с ростом давления. В подвижном дне 5 внутреннего сильфона 4 закреплен конец излучающего световода 6, имеющего заданную числовую апертуру. Другой конец световода 6 расположен перед источником 9 света. На неподвижном основании 2 имеются приемные окна волоконно-оптического преобразователя в виде матриц 10,11, представляющих собой ориентированную по диаметру двойную линейную цепочку, выполненную из торцов световодов 14 и 15. Изменение внешнего давления приводит к изменению расстояния между поверхностью основания 2 и дном 5 сильфона 1, отчего изменяется число освещенных приемных торцов световодов 14,15, передающие торцы которых выведены на отсчетную шкалу 16 и к многоэлементному фотоэлектрическому приемнику 17. Температурная компенсация достигается подбором геометрических параметров с учетом различия коэффициентов теплового расширения жидкости и газа, заполняющих сильфоны 1 и 4. 1 ил.

го

18