Устройство для измерения давления Советский патент 1991 года по МПК G01L11/00 

(Л

С

Устройство для измерения давления относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления и позволяет расширить диапазон измерения. Устройст во содержит источник света 1, поляризатор 2, анализатор 3, фазовую пластинку 4 в одну восьмую длины световой волны монолитный из двух соединенных между собой частей фотоупругий чувствительный элемент 5. четвертьволновую фазовую пластинку 6, фотоприемники 7. 8, измерительный прибор 9, схему 13 сравнения фотоэлектрического сигнала с двумя опорными сигналами и переключающее устройство 14. которое по сигналу, вырабатываемому схемой 13 сравнения, вводит (или выводит) в луч света четвертьволновую фазовую пластинку 6 для обеспечения линейности преобразования по каналу точного отсчета в широком диапазоне давлений. 1 табл , 3 ил

о ел

х|

о о

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и можег быть использовано для измерения давления.

Цель изобретения -- расширение диапазона измеряемого давления.

На фиг.1 приведена принципиальная схема пьезооптического измерителя давления; на фиг.2 - кривые зависимости интенсивности света от давления в каналах точного (а) и грубого (б) отсчетов, (в - четвертьволновая фазовая пластинка включена; о - четвертьволновая фазовая пластинка отсутствует); на фиг.З - схема передней панели измерительного прибора.

Пьезооптический измеритель давления (фиг.1) содержит два поляризационно-опти- ческих канала точного (т) и грубого (г) отсчетов, каждый из которых содержит общие для двух каналов источник 1 света, поляризатор 2, анализатор 3, скрещенный с поляризатором 2, установленные между ними в диагональное положение фазовую пластинку 4 в одну восьмую длины световой волны и чувствительный элемент 5, выполненный монолитным из двух соединенных между собой частей (например, склеенных), при этом одна часть изготовлена из материала с большим пьезооптическим коэффициентом и размещена на оптической оси канала точного отсчета, другая часть изготовлена из материала с малым пьезооптическим коэффициентом и размещена на оптической оси канала грубого отсчета, а также четвертьволновую фазовую пластинку 6, установленную в диагональное положение на оптической оси канала точного отсчета перед анализатором 3 и выполненную с возможностью переключения, фотоприемники 7 и 8. соединенный с ними измерительный прибор 9 с цифровым индикатором 10 грубого отсчета, шкалами 11 точного отсчета, индикаторами 12 шкал, схему 13 сравнения фотоэлектрического сигнала с опорными сигналами (далее схема сравнения), подключенную к фотоприемнику 8, и электромеханическое переключающее устройство 14, связанное с выходом схемы 13 сравнения.

Устройство работает следующим образом.

Луч света от источника 1 света, пройдя поляризационно-оптическую схему, состоящую из скрещенных поляризатора 2 и анализатора 3 и установленный между ними в диагональном положении чувствительный элемент 5, модулируется по интенсивности при действии на чувствительный элемент 5 внешнего давления Р. В результате фотоупругого эффекта интенсивность света I на выходе

l losing ,

(D

где lo максимальная интенсивность света; д - разность фаз, внотмэя чувстви- тельным элементом 5 в направлении просвечивания.

Так как связь между изменением разности фаз д в чувствительном элементе и при- ложенным к нему давлением Р для большинства твердых тел линейная, то

Ко-Р,(2)

где Ко - пьезооптче,ский коэффициент преобразования элемента,

и соотношение (1) приводится к виду

Ы0 sin2 К0Р.(3)

Очевидно, что величина фотоэлектрического сигнала Уф, снимаемого с фотоприемников 7 или 8, описывается такой же

зависимостью от Р:

иф и0ф5т К0Р ,

(4)

где Уф - максимальный фотоэлектрический сигнал, соответствующий интенсивности света, 10.

При нулевом внешнем давлении интенсивность света, прошедшая скрещенные поляризатор 2, анализатор 3 и чувствительный элемент 5 между ними, равна 0. Для перевода начальной рабочей точки в начало

линейного участка зависимости Уф (Р) после поляризатора 2 введена фазовая пластинка 4 в одну восьмую длины световой волны, установленная под углом 45° относительно плоскости пропускания поляризатора 2.

Тогда зависимость (4) можно представить в виде

иф и°ф sin2 ( Ко Р +|). (5)

Пример такой зависимости на фиг.2а, граФик 1. Части чувствительного элемента 5 выполняются из различных пьезооптиче- ских материалов таким образом, что на одной полуволне фотоупругой зависимости одного поляризационно-оптического канала укладывалось несколько (10-50) полу волн фотоупругой зависимости другого оптического канала, Это позволяет сформировать измерительные поляризационно-оптиче- ские каналы точного (для материала с большим пьезооптическим коэффициентом) и грубого (для материала с малым пьезооптическим коэффициентом) отсчетов. Точное количество полуволн канала точного отсчета, укладывающихся на одной полуволне

канала грубого отсчета, можно также корректировать изменением толщины одной из частей чувствительного элемента 5 в направлении распространения света.

На оптической оси канала точного отсчета между чувствительным элементом 5 и

анализатором 3 расположена четвертьволновая фазовая пластинка 6, выполненная с возможностью выключения-включения, что обеспечивает возможность работы устройства на нескольких (реально 10-50) линейных участках возрастающей или уменьшающейся зависимости итф(Р) при изменении давления Р. В этом случае формула (5) для канала точного отсчета при включе- ной А/4 - пластинке принимает вид

UVU°osin2(KoP+J+ )-(6)

Пример такой зависимости приведен на фиг.2а, график 2.

Работа устройства в автоматическом режиме происходит следующим образом.

Пусть точки А и В ограничивают линейный участок первой полуволны зависимости итф(Р) (фиг,2а), а С и D - аналогичный участок зависимости 11тф(Р) (фиг.2б). При этом точки А и С соответствуют начальному давлению по каналам точного и грубого отсчетов, а точки В и D - максимальным значениям давления в пределах линейных участков зависимостей ифт(Р)и 11фг(Р) соответственно. Максимальное давление, соответствующее точке D по каналу грубого отсчета, ограничивает рабочий диапазон измеряемых устройством давлений, а максимальное давление в точке В по каналу точного отсчета ограничивает один диапазон давлений точного отсчета (один порядок точного отсчета). Обозначим диапа.зон давлений в пределах линейных участков 11фт(Р)

И ифГ(Р) как Д Ртах1 И ДРтах . Тогда количество порядков точного отсчета, укладывающихся в рабочий диапазон измеряемых устройством давлений, равно

N А PW/ A РТггм х (7) Это соотношение необходимо использовать при выборе материалов для изготовления чувствительного элемента.

Пусть давление Р увеличивается на участке А В зависимости U$T(P), что соответствует работе в первом порядке (диапазоне) точного отсчета. В этом случае фотоэлектрический сигнал ифт с фотоприемника 8 увеличивается и регистрируется по верхней шкале точного отсчета - горит индикатор 12 верхней шкалы. Одновремено сигнал 11ф7 подается на схему 13 сравнения. В точке В сигнал ифт становится равным опорному сигналу UB. вырабатываемому схемой 13 сравнения. В этот момент схема 13 сравнения вырабатывает сигнал управления Uyn. Сигнал Uyn подается на переключающее устройство 14, которое включает четвертьволновую фазовую пластину 6. Одновременно при включении фазовой пластинки 6 изменяется коммутация переключающего устройства 14 таким образом, что следующим сигнал Uyn выключает фазовую пластинку 6. При включении фазовой пластинки 6 величина сигнала ифт не изменяется и равна UB. так как в точке В включенная четвертьволновая фазовая пластинка 6 согласно (б), не изменяя величины ифт, переводит рабочую точку на линейный участок уменьшающейся зависимости 11фт(Р) при увеличении Р. В этот же момент по каналу грубого отсчета

сигнал равен Ui (фиг.26). При ифг Ui на цифровом индикаторе 10 грубого отсчета появляется цифра Т , обозначающая, что поточному каналу отсчитан первый порядок (диапазон) точного отсчета давления. Одновременно цифровой сигнал 1 включает индикатор 12 нижней шкалы точного отсчета Это значит, что дальнейшее увеличение давления (во втором порядке точного отсчета) регистрируется по нижней шкале точного отсчета. Пусть Р увеличивается далее на участке BAi и регистрируется по нижней шкале точного отсчета. В точке AI сигнал ифт становится равным второму опорному сигналу Ua схемы 13 сравнения. В момент,

когда , схема 13 сравнения вырабатывает сигнал Uyn. который подается на переключающее устройство 14 и выключает фазовую пластинку 6. При этом изменяется коммутация переключающего устройства 14

таким образом, что следующий сигнал Uyn включает фазовую пластинку 6. Теперь при выключенной пластинке 6 ифт становится равным (соответствует точке Bi) и дальнейшее увеличение Р происходит на

участке зависимости ифт(Р). В момент, когда , по каналу грубого отсчета фотоэлектрический сигнал равен величине U2 (фиг,26), которая фиксируется на индикаторе 10 грубого отсчета измерительного прибора 9 цифрой 2. При этом цифровой сигнал 2 не переключает индикацию шкал точного отсчета, т.е. в следующем порядке (в данном случае третьем) точного отсчета давление определяют опять

по нижней шкале точного отсчета. В дальнейшем работа повторяется.

В таблице приведена последовательность регистрации давления по верхней или по нижней шкале точного отсчета в зависимости от порядка (диапазона) точного отсчета.

Устройство может работать в любой момент включения, т.е. в случаях, когда на чально . Это обеспечивается тем, что

схема 13 сравнения вырабатывает сигнал Uyn не только в моментоы, когда или ифт UA, но и в случаях, когда иф UB или ифт UA.

Пример работы устройства в произвольные моменты выключения-включения. Пусть устройство выключено в момент, когда (фиг.2а), и соответственно фазовая пластинка 6 выключена. Пусть в момент, когда , устройство включается. Из фиг.2а следует, что при отсутствии четвертьволновой пластинки 1). Схема 13 сравнения вырабатывает сигнал Uyn, который включает фазовую пластинку 6, переводя тем самым сигнал к уровню Ud, который регистрируется по нижней шкале точного отсчета - горит индикатор 12 нижней шкалы (фиг.З), так как на индкаторе грубого отсчета измерительного прибора 9 появилась цифра 1, соответствующая грубому отсче- ту давления.

Для снятия отсчета о величине давления суммируются показания цифрового индикатора грубого отсчета и шкалы точного отсчета. Формула изобретения Устройство для измерения давления, содержащее два поляризационно-оптиче- ских канале, состоящих из источника света, поляризатора, фотоупругого чувствитель- ного элемента, анализатора и первого и второго фотоприемников, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, в него дополнительно введены фазовая пластинка в одну восьмую длины волны света, фазовая пластинка в одну четвертую длины волны света, измерительный

Примечание: п 0,1,2,3 ...

прибор, схема сравнения и электромеханический переключатель, а фотоупругий чувствительный элемент выполнен составным из двух частей, первая часть размещена на оптической оси канала точного отсчета, а вторая - на оптической оси канала грубого отсчета, причем пьезооптический коэффициент первой части выбран в 10...50 раз большим, чем пьезооптический коэффициент второй части, при этом фазовая пластинка в одну восьмую длины света установлена между поляризатором и фотоупругим чувствительным элементом так, что одна из осей оптической индикатрисы которой ориентирована под углом 45° к направлению поляризации поляризатора, а фазовая пластинка в одну четвертую длины волны света установлена между фотоупругим чувствительным элементом и анализатором в канале точного отсчета с возможностью переключения и так, что одна из осей оптической индикатрисы которой ориентирована под углом 45° к направлению поляризации анализатора, выходы первого и второго фотоприемников соединены с входами измерительного прибора, причем выход первого фотоприемника подключен к входу схемы сравнения, выход которой подключен к входу электромеханического переключающего устройства,, связанного механически с фазовой пластинкой в одну четвертую длины волны света.

«f

,

-irr-H-tt-t-tt

Ъ

til -S

ill1

gg-t-r-r-i-t--tH

Wz

25

П

ff

feJ