Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

со

с

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к датчикам давления. Целью изобретения является повышение точности и чувствительности. Под действием измеряемого давления изменяется рабочий зазор 33 между торцами излучающего 7, приемного 8 световодов и петлевого световода 6, размещенных на жестких центрах мембран 2 и 1. Поскольку зазор 33 заполнен светопоглощающей жидкостью, то в зависимости от величины зазораизменяетсяосвещенность фотоприемника 22. Имеются контрольные излучающий 11 и приемный 12 световоды с постоянным зазором 10 для контроля характеристик датчика. Для периодического подключения контрольных световодов 11 и 12 предусмотрен оптический переключатель 16. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в устройствах контроля технологических параметров производственных процессов, в автоматизированных системах управления, сбора и обработки информации, а также в средствах регулирования.

Известен волоконно-оптический чувствительный элемент, принцип действия которого основан на изменении оптической связи между двумя прилегающими друг к другу волоконно-оптическими световодами в зависимости от изменения действующего на них давления. Чувствительный элемент давления выполнен в виде круглого держателя, в котором закреплены два световода. Чувствительный элемент снабжен выступом в центре, сверху которого прикреплена круглая мембрана с выступом в центре, обращенным к выступу чувствительного элемента. Центральные части световодов без защитного покрытия пересекаются под острым углом и расположены между выступами.

При наличии давления световоды сжимаются выступами, при этом изменяется степень оптической связи между ними и следовательно количество световой энергии, передаваемой из одного световода в другой. Один конец световода освещается лазером, а другой снабжен приемником.

Недостатком известного волоконно-оптического чувствительного элемента является низкая точность преобразования давления в информационный сигнал, за счет износа контактируемых участков световода; за счет гистерезиса наличия сил трения между контактируемыми участками световодов.

ха с

§

V|

Существенными недостатками известною устройства является низкая чувствительность- за счет малого диапазона изменения оптической связи между световодами, и также большой разброс характеристик (невоспроизводимость) из-за наличия непосредственного контакта между световодами.

Известен другой преобразователь давления, о котором чувствительным элементом служит круглая мембрана с отражающей поверхностью, против которой расположен конец пучка оптических волокон, который делится на два пучка, конец одного из них расположен против источника света, другой против фотодетектора. Разность фаз между отраженным светом, поступающим на фотодетектор, и светом ис- ючника пропорциональна смещению мембраны под действием давления,

Недостатком известного устройства является сложность преобразования фазовых сигналов в информационный сигнал, а также узкий диапазон измеряемых давлений,

Известен другой оптический датчик давления, который по своей технической сущности и достигаемому положительному зффечту является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принят авторами за прототип, содержащий корпус, внутри которого расположены две мембраны, соединенные по периметру кольцевым элементом, излучающий и сзетоприемный световоды, подключенные к основному оптическому разъему соединенному с волоконно-оптическим кабелем, источник света и фотоприемник.

Известному оптическому датчику давления присущи существенные недостатки, заключающиеся в следующем:

малый диапазон измеряемых давлений, обусловленный высокой жесткостью круглых мембран, охваченных промежуточным элементом, что требует высокой степени точности обработки бокового профиля волоска на три порядка от величины упругого перемещения мембраны;

низкая точность измерения из-за недостаточной крутизны преобразования, как мембран в перемещении, так волосков в информационный сигнал, практически невозможность получения идентичных характеристик преобразователя, так как при малых перемещениях волосков от носитель- ю друг друга в полости, перпендикулярной vix осям, параллельность я идентичность боковых поверхностей волосков должна быть -i5 несколько порядков выше, чем их попе- iK-чные размеры, что чрезвычайно сложно и нргв/нопогично выполнить при малых поперечных размерах волосков, что приводит к низкой точности измерения,

низкая точность преобразования светового сигнала в информационный из-за температуры изменений электрических параметров характеристик, как излучателя светового потока, так и фотоприемника, а также из-за старения их оптических характеристик во времени.

0 Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности и чувствительности.

Поставленная цель достигается датчиком давления, содержащим корпус, внутри

5 которого расположены две мембраны, соединенные по периметру кольцевым элементом, излучающий и светоприемный световоды, подключенные к основному оптическому разъему, соединенному с воло0 конно-оптическим кабелем, источник света и фотоприемник, согласно изобретению, дополнительно снабжен отрезком световода, контрольными излучающим и светоприем- ными световодами, камерой с эластичными

5 стенками и оптическим переключателем с первым и вторым оптическим разъемом, причем мембраны выполнены с зеркально- симметричными гофрами и жесткими центрами, при этом жесткий центр первой

0 мембраны выполнен с петлевым каналом, в который уложен отрезок световода, образующий рабочие зазоры своими торцэми с торцами излучающего и светоприемного световодов, размещенных в жестком цент5 ре второй мембраны, который закреплен в корпусе и в котором размещены контрольные излучающий и светоприемный световоды, торцы которых размещены в полости, выполненной в этом жестком центре, с по0 стоянным зазором, величина которого равна удвоенному рабочему зазору, причем контрольные световоды подключены к основному оптическому рззьему, при этом на жестком центре второй мембраны размеще5 на камера с эластичными стенками, причем полость этой камеры, постоянный зазор и межмембрэнная полость сообщены между собой и заполнены светопоглощающей жидкостью, Ja свободный конец волоконно0 оптического кабеля подключен х первому оптическому разъему оптического переключателя, второй оптический разъем которого подключен к источнику света и фотоприемнику.

5 Датчик давления отличается тем, что оптический переключатель выполнен в виде камеры с размещенными в ней балкой на упругих лентах, электромагнитом с якорем, шестью отрезками световодов и эластичного компенсатора, причем балка соединена с

якорем и на ней размещены два отрезка световодов, подключенных ко второму оптическому разъему и свободные торцы которых размещены напротив свободных торцов остальных четырех отрезков свето- водов, подключенных к первому оптическому разъему, при этом полости камеры и эластичного компенсатора сообщены между собой и заполнены светопрозрачной жидкостью.

Изготовление мембран своими торцами, развернутыми в противоположные стороны, а ориентацию гофр вершинами одна против другой и герметичное соединение их торцов с кольцевым элементом, жесткими центрами позволяет получить стабильный чувствительный элемент преобразователя давления измеряемой среды в перемещение утолщения за счет того, что швы соединенных кромок ме лбран работают на растяжение и сжатие и дают малую деформацию, перемещение же утолщенной части мембраны достигается за счет деформации гофр, которые значительно стабильнее, чем деформация соединенных кромок.

Использование изменяемого поддейст- вием измеряемого давления расстояния между торцами излучающего и светоприем- ного световодов, обеспечивает технологич- ность изготовления, точность и стабильность в работе, а качество их обработки не влияет сколько-нибудь существенно на характеристику работы так. как торцы получают путем простой операции скола.

Заполнение пространства между тор- цами излучающего и светоприемного свето- водов светопоглощающей средой, например жидкостью, обеспечивает высокую чувствительность и крутизну преобразования. Наличие второй пары световодов с постоянным зазором обеспечивает контроль за старением параметров оптического кабеля и расчета поправки, что исключает погрешность измерения от старения оптического кабеля.

Периодическое переключение источника света и фотоприемника с информационной пары световодов на компенсационную, обеспечивает, возможность учесть ошибки измерения за счет старения и нестабильно- сти источника света и фотоприемника, что повышает метрологические характеристики датчика.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен датчик давления, со- стоящий мз двух гофрированных мембран, нижней 1 и верхней 2, выполненных с зеркально симметричными гофрами и с жесткими центрами 3 и 4. Снаружи мембраны 1 и 2 герметично, например, сваркой соединены по периметру кольцевым элементом 5, а с внутренней стороны герметично, также сваркой, соединены с жестким центром 3, который выполнен с петлевым каналом, в котором уложен отрезок световода 6 в виде петли и своими концами ориентированный вверх, а напротив его торцов с рабочим зазором а размещены торцы излучающего 7 и светоприемного S световодов, которые закреплены в жестком центре 4, который герметично соединен с корпусом 9 датчика давления.

8 полости 10 также размещены неподвижно контрольные излучающий 11 и свето- приемный 12 световоды, торцы которых ориентированы относительно друг друга с постоянным зазором б,равным суммарному зазору излучающего 7 и светоприемного 8 световодов как 2х а. Противоположные концы излучающего 7, светоприемного 8 и концы контрольных излучающего 11 и светоприемного 12 световодов, через основной оптический разъем 13, смонтированном в корпусе 9 датчика давления посредством волоконно-оптического кэбе- ля 14 попарно и параллельно друг другу через первый разъем 15 оптического переключателя 16 с электромагнитным управлением, например, выполненного в виде параллельно расположенной с зазором в балки 17 и второго разъема 18. В балке 17 и втором разъеме 18 закреплены излучающий 19 и светоприемный 20 отрезки световодов, которые верхними торцами ориентированы к торцам четырех введенных световодов посредством первого разъема 15 и волоконно- оптического кабеля 14. А противоположные концы отрезков излучающего 19 и светоприемного 20 световодов подключены к источнику света 21 и фотоприемнику 22,которые через усилитель 23 и аналого-цифровой преобразователь 24 подключены к входу данных микроЭВМ 25, через блоки вывода импульсного сигнала 26, сигналов последовательного 27 и параллельного 28 кодов.Соот - ветственно подключен к ооложке электромагнита 29. показывающему прибору дистанционного контроля 30, показывающему прибору местного контроля 31. При этом полость мембран 1 и 2, рабочий зазор а и постоянный зазор б между излучающими 7, контрольным 11 и светоприемными 8, контрольным 12 световодами, а также полость 10, снабженная камерой с эластичными стенками 32, сообщены между собой и заполнены светопоглощающей жидкостью 33. Балка 17 связана со вторым оптическим разъемом 18 упругими лентами 34 и 35, снабжена якорем 36, взаимодействующим с электромагнитом 29. .Полость 37 оптического переключателя 16 и эластичного компенсатора 38 сообщены между собой и заполнены светопрозрачной жидкостью 39, например, глицерином.

Датчик давления работает следующим образом. При воздействии контролируемого избыточного давления Р на. мембраны 1 и 2 происходит их упругая деформация. Выполнение мембран 1 и 2 с зеркально симметричными гофрами ориентированными своими выпуклыми вершинами одна к другой, обеспечивает работу мембран 1 и 2 и кольцевого элемента 5, герметично соединенного с мембранами 1 и 2 соответственно на растяжение и сжатие, что обеспечивает стабильность перемещения жесткого центра 3, пропорционально избыточному давлению Р.

При этом непосредственно мембраны 1 и 2 работают на изгиб, обеспечивая высокую чувствительность, так как величина упругой деформации значительно выше деформации на сжатие или растяжение. Нестабильность же упругих элементов всегда, как правило, появляется в зонах стыковки их кромок с жесткими центрами 3 и 4. Поэтому в данном случае их малая деформация, по сравнению с деформацией тела мембран 1 и 2 под действием избыточного контролируемого давления Р, происходит пропорциональное перемещение жесткого центра 3 в центре мембраны 1. А следовательно пропорционально давлению Р. Изменение (уменьшение) рабочего зазора а между торцами встроенного в жесткий центр 3 отрезка световода 6 и торцами излучающего 7 и светоприемного 8 световодов. Так как рабочий зазор а между торцами отрезка световода 6 и излучающего 7 и светоприемного 8 заполнены светопоглощающей жидкостью 33, например метилкорбатолом темно-красного цвета, происходит уменьшение величины затухания светового потока, выходящего из торца излучающего 7 световода, который поступает от источника света 21 через излучающий отрезок 19 световода и зазор в, заполненный средой с малым коэффициентом затухания, например глицерином. В результате уменьшения затухания в рабочем зазоре а световой поток увеличивается на входе в торец отрезка световода б, который за счет своего изгиба изменяет его направление на 180° и ориентирует на торец светоприемного 8 световода через уменьшенный слой светопоглощающей жидкости 33 в рабочем зазоре а. По свето- приемному световоду 8 световой поток поступает на фотоприемник 22 через светоприемный отрезок 20 и зазор в между их торцами, где преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, который после усиления усилителем 23 и преобразованный в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 24, поступает в

микроЭВМ 25, например однокристалль- ную микроЭВМ типа К1816 BE 48, где после корректировки линеаризации и масштабирования через блоки вывода последователь- ного 27 и параллельного 28 кодов, подается

0 на входы показывающих приборов дистанционного 30 и местного 31 контроля, где преобразуется в визуальную информацию. В связи с тем, что в процессе эксплуатации, а также от воздействия внешних факторов

5 температуры, старения световодов, источника счета, фотоприемника, жидкостей, заполняющих рабочий зазор а, постоянные зазоры бив, происходит искажение информации светового потока,

0 Устранение указанных искажений осуществляется периодической посылкой контрольного светового сигнала, командой микроЭВМ 25, через блоки вывода импульсного сигнала 26 на обмотку электромагни5 та 29, магнитным полем которого якорь 36 притягивается и происходит перекоммутация светового потока излучающего источником света 21 на торец контрольного излучающего световода 11, по которому све0 товой поток подается на торец контрольного светоприемного световода 12, через постоянный зазэр б, который заполнен той же саетопоглощающей жидкостью 33, что и рабочий зазор а, и сообщаются между со5 бой. Таким образом, измеряв ся опорный сигнал, который содержит только информацию об изменении параметров светопоглощающей жидкости 33, излучающего 7 и светоприемного 8 световодов контрольных

0 излучающего 11м светоприемного 12 световодов, источника света 21, фотоприемника 22 и аналого-цифрового преобразователя 24. По этому контрольному сигналу микро- ЭВМ 25 исключает величину искажающих

5 факторов. Для компенсации температур, сопротивлений, расширения светопоглощающей жидкости 33, заполняющей рабочий зазор а, и светопрозрачной жидкости 33, заполняющей полость 37 оптического пере0 ключателя 16 с электромагнитным управлением и зазор в, служат: камера с эластичными стенками 32 и эластичный ком пансатор 38, которые принимают избыточные объемы этих жидкостей.

5 Повышение точности измерения давления достигается за счет введения контрольной цепи для прохождения светового потока, включающий в себя блок оптического переключателя 16 с электромагнитным управлением и контрольные излучающий 11

и светоприемный 12 световоды, С течением времени, в результате старения или воздействия температуры окружающей среды. происходит изменение интенсивности излучения источника саета 21, чуествительности фотоприемника 22, светопропускания световодов 7,8 и 11,12. Периодический контроль интенсивности светового потока, протекающего по контрольной цепи, позволяет изменить эти изменения параметров электронно-оптических компонентов и внести поправки в результат измерения. Ввод поправок осуществляется следующим образом. После изготовления датчика давления или во время периодических контрольных поверок на стенде, определяют значения входного напряжения U22 фотоприемника 22 при различных значениях избыточного давления Р при прохождении светового потока через излучающий и светоприемный световоды 7 и 8, то есть при обеспеченном электромагните 29. Затем эта таблица зна- «ений U22 и Р заносится и постоянное запоминающее устройство микроЭВМ 25.

После этого подается напряжение на электромагнит 29, при этом блок оптического переключателя 16 переключается и световой поток идет через контрольную цепь излучающего 11 и светоприемного 12 световоды. При этом измеряется контрольное выходное напряжение фотоприемника 22 U22, которое также записывается в постоянное запоминающее устройство микроЭВМ 25.

В процессе измерения на объекте производятся измерения фактических значений U22 и U22K© и вычисление в микроЭВМ 25 расчетного значения 1)22-по формуле (1)

U22 - У22Ф + К(и,2К-и22КФ), (1) где 1122Ф - выходное напряжение фотоприемника 22 при измерении давления на объекте в процессе эксплуатации;

У22КФ - выходное напряжение фотоприемника 22 при подаче токэ на электромагнит 29 и прохождении светового потока через контрольные световоды излучающий 11 и светоприемный 12 непосредственно после измерения;

К - коэффициент пропорциональности, для конкретной конструкции может быть величиной постоянной, или в общем виде К может быть функцией U22O и 1122КФ. т.е.

К f (У22Ф, У22КФ). (2)

Коэффициент К определяется опытным путем при градуировке датчика давления.

После определения U22 по формуле (1) по таблице, записанной в ПЗУ микроЭВМ 25 определяет истинное значение измеряемого давления Р. Расширение диапазона измерения достигается за счет использования двух мембран 1 и 2 и кольцевого элемента 5, соединенный как указано в материалах заявки, а также за счет использования микроэвм 25, которая позволяет хранить в своем постоянном запоминающем устройстве 5 ПЗУ таблицу соответствия выходного напряжения фотоприемника 22 измеряемому давлению Р в широком диапазоне измерения.

Линейную характеристику преобразова0 ния измеряемого давления в выходной электрический сигнал блока преобразования цифрового кода 28 можно получить за счет линеаризации поступающего с выхода фотоприемника 22 с помощью микроЭВМ 25.

5 В качестве источника света 21 может быть использован монохроматический источник света. При этом различное затухание оптического излучения в зависимости от длины волны используемого излучения не

0 будет сказываться. Но даже при использовании монохроматического источника света 21, нелинейность преобразования измеряемого давления в выходной электрический сигнал фотоприемника 22 определяется при

5 градуировке волоконно-оптической системы. Получение таблицы или функциональных зависимостей заносится в память микроЭВМ 25 и используют в дальнейшем для линеаризации характеристики преобра0 зования.

Экономическая эффективность, по сравнению с прототипом, заключается в увеличении срока службы волоконно-оптического датчика давления, что позволит со5 кратить число датчиков на технологическом объекте и снизить стоимость информационно-измерительных и регулируемых систем. Высокая точность измерения технологических параметров позволяет повысить

0 качество продукции и приводит к экономии сырья и материалов.

Формула изобретения 1. Датчик давления, содержащий корпус, внутри которого расположены две мем5 браны, соединенные по периметру кольцевым элементом, размещенные в межмембранной полости рабочие излучающий и приемный световоды, подключенные к основному оптическому разъему, соединенно0 му с волоконно-оптическим кабелем, источник света и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, он снабжен отрезком световода, контрольными излуча5 ющим и приемными световодами, камерой с эластичными стенками и оптическим переключателем с первым и вторым оптическими разъемами, причем мембраны выполнены с зеркально симметричными гофрами и жесткими центрами, при этом

жесткий центр первой мембраны выполнены с петлевым каналом, в который уложен отрезок световода с образованием двух рабочих зазоров между его торцами и торцами рабочих излучающего и приемного световодов, размещенных в жестком центре второй мембраны, который закреплен в корпусе и в котором размещены также контрольные излучающий и приемный световоды, торцы которых с постоянным зазором размещены в полости, выполненной в этом жестком центре, причем величина постоянного зазора равна суммарной величине обоих рабочих зазоров, при этом контрольные световоды подключены к основному оптическому разъему, а на жестком центре второй мембраны размещена также камера с эластичными стенками, причем полость этой камеры, полость, выполненная в жестком центре, и межмембранная полость сообщены между собой и заполнены светопоглощающей жидкостью, а свободный конец волоконно- оптического кабеля подключен к первому

OL 2&

0

5

0

оптическому разъему оптического переключателя, второй оптический разъем которого подключен к источнику света и фотоприемнику.

з /V