Волоконно-оптический расходомер Советский патент 1992 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к конструкциям волоконно-оптических расходомеров с чувствительным элементом в виде поворотной лопасти, которые могут быть использовано для измерения больших расходов загрязненных и агрессивных жидкостей или газов в химической, нефтегазовой и других лях народного хозяйства

Известны конструкции волоконно-опти ческих расходомеров, в которых волоконно- оптический световод, находящийся в измеряемом потоке среды, выполняет роль чувствительного элемента и преобразователя. Эти известные волоконно-оптические расходомеры содержат корпус источник и фотоприемник света, соединенные оптически со световодом, и измеритель Основным недостатком этих известных технических решений является низкая чувствительность и точность, а также узкий диапазон измерений. Кроме этого они требуют сложных измерительных систем.

Наиболее близким известными техническим решением; выбранным в качестве прототипа, является волоконно-оптический расходомер, который содержит волоконнооптический канал связи, переключатель, срабатывающий при появлении измеряемого потока, поворотную лопасть, два магнитно связанных постоянных магнита один из которых установлен на поворотной лопасти, а на втором размещена отражающая поверхность, оптически не связанная со световодом канала язи при отсутствии измеряемого по ока. Недостатками этого известного вот -онно-оптического расходомера являются, низкая чувствительность при малых расходах, обусловленнач тем, что сила взаимодействия между двумя полюсами магнитов при притяжении или отталкивании обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, поэтому повышается порог срабатывания устройства, и кроме этого подвод отражающей поверхности осуществляется под углом к торцу световода, т.к. она расположена на вращающемся магнитном элементе, что ведет к значительной потери светового потока п снижению чувствительности преобразователи узкие эксплуатационные качества которые обусловлены односторонностью дзйст-ия расходомера и его узким диапазоном измерений в результате низкой чувстви

(/

С

VJ

VI

о vi

ел о

тельности при малых расходах и ограниченности угла поворота лопасти при больших расходах.

Цель изобретения - повышение чувствительности и расширение эксплуатацион- ных качеств путем установки двух магнитно-оптических преобразователей с магнитоуправляемой отражающей поверхностью, обеспечивающих непрерывное измерение расхода как прямого, так и обратного потока среды. Указанная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом расходомере, содержащем немагнитный корпус с крышкой, в котором размещена на оси поворотная лопасть, первая консоль которой установлена через окно поперек оси измерительного участка трубопровода, а вторая консоль связана с первым магнитооптическим преобразователем, включающим постоянный магнит, установленный с возможностью взаимодействия через крышку и подвижным магнитным элементом, на котором размещен элемент с отражающей поверхностью, оптически сопряженной с первым торцом волоконного световода с ответвите- лем, второй торец которого соединен с приемником света, а также источник света и блок формирования выходного сигнала, первый вход которого соединен с приемником света первого магнитооптического преобразователя, согласно изобретению, в него введены второй идентичный первому магнитооптический преобразователь, первый м второй клинья, установленные с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости и соединенные с первым и вторым рычагами, оканчивающимися шарнирами, и пластинка эластомера с включениями из магнитотвердого материала, а подвихч- ный магнитный элемент выполнен в виде слоя магнитной жидкости, при этом вторая консоль поворотной лопасти связана с постоянными магнитами первого и второго магнитооптических преобразователей через первые рычаг и клин, установленные по одну сторону от оси поворотной лопасти, и через вторые рычаг и клин, установленные по другую сторону от оси поворотной лопасти, пластинка эластомера размещена между крышкой корпуса из немагнитного материала и слоем магнитной жидкости, источник света соединен с ответвителями волоконных световодов первого и второго магнитооптических преобразователей, а выход приемника света второго магнитооптического преобразователя соединен со входом блока формирования выходного сиг- мала, который выполнен в виде дифференциального усилителя

На чертеже представлено продольное сечение волоконно-оптического расходомера.

Волоконно-оптический расходомер содержит корпус 1, рабочий канал 2, поворотную лопасть 3, ось 4, крышку корпуса 5 в виде камеры с отверстиями и направляющими для установки элементов преобразовате- ля, два постоянных магнита б, две

0 направляющих 7 с продольными щелями 8, два подвижных клина 9, два рычага 10, две цилиндрические камеры 11 для установки диамагнитных подложек 12 со слоем магнитотвердого эластомера 13, слоем магнитной

5 жидкости 14 и магнитоуправляемой отражающей поверхности 15, крышку 16 для герметизации камеры с установки волоконно-оптических световодов 17 канала связи, включающего еще источник излучения 18,

0 разветвитель 19, фотоприемники 20, 21 и дифференциальный усилитель 22. Магнитно-оптический преобразователь включает в себя постоянный магнит 6, слой магнитотвердого эластомера 13, слой магнитной

5 жидкости 14, магнитоуправляемую отражающую поверхность 15 и волоконно-оптический световод 17. Поворотная лопасть 3 шарнирно установлена на оси 4 так, что ее первая консоль входит через окно в рабочий

0 канал, а вторая ее консоль с помощью рычагов 10 шарнирно соединена с клиньями 9, установленными в щелях 8 направляющих 7. Магниты 6 расположены в направляющих 7 и под действием гравитационных сил опи

5 раются на скошенную поверхность клиньев 9. Торцы световодов 17 оптически соединены с отражающими поверхностями 15 через зазор равный начальному рабочему расстоянию используемого волоконно-оптическо0 го преобразователя.

Оптические оси световодов 17 и магнитные оси магнитов б совмещены, т.е. находятся на одной прямой перпендикулярной магнитоуправляемой отражающей поверх5 ности 15. Светоизлучающая часть световодов 17 и магнитные оси магнитов 6 совмещены, т.е. находятся на одной прямой перпендикулярной магнитоуправляемой отражающей поверхности 15. Светоизлучаю0 щая часть световодов 17 через разветвитель 19 оптически соединена с источником излучения 18, а светопринимающая часть с фотоприемниками 20, 21, выходы которых соединены со входами дифференциального

55 усилителя 22. В качестве источника излучения 18 использовался светодиод типа АЛ-107Б, в качестве световодов 17 использовался волоконно-оптический световод со случайным распределением волокон с диаметром торца 5 мм, апертурой 30° и диаметром волокон 50 мкм. В качестве фотоприемников 20, 21 использовались фотодиоды типа ФД-256, а в качестве дифференциального усилителя 22 использовался операционный усилитель на микросхеме типа К140УД8. Корпус 1 и его крышка 5 могут быть изготовлены из любого диамагнитного материала повышенной прочности и стойкости к агрессивным средам, например в нашем случае, они изготовлены из полипропилена. Внутренний диаметр рабочего канала 2 равен 100 мм. Погруженная в рабочий канал 2 первая консоль поворотной лопасти 3 выполнена прямоугольной с параллельными щелями так, что ее площадь составляет 30% площади рабочего канала 2 расходомера. Лопасть 3 и клинья 9 выполнены из бериллиевой бронзы. Подложка 12 выполнена из стеклотекстолита диаметром 25 мм и толщиной 1 мм. При предельной прочности на изгиб 300 МПа она имеет допустимое давление 30 МПа. На подложку 12 нанесен слой магнитотвердого эластомера 13 толщиной 0,5 мм на основе термопласта ИСТ-30 и частиц феррита бария, причем слой магнитотвердого эластомера имеет поперечную намагниченность. На слой 13 нанесен слой магнитной жидкости 14 на основе фторорганических соединений и частиц магнетита, которая равномерно распределяется на поверхности магнитотвердого эластомера и надежно удерживается им. Толщина слоя N агнитной жидкости равна 0,2 мм. В полном контакте с магнитной жидкостью, т.е. без воздушных зазоров, на нее накладывается магнитоуправляемая отражающая поверхность 15 из любой эластичной пленки с зеркальной поверхностью на основе полиарилатов или из латуни. В нашем случае использовалась пленка из бериллиевой латуни толщиной 0,05 мм. Магниты 6 выполнены из феррита бария размером 5x15x5 мм и установлены на расстоянии от подложки 12, при котором в отсутствии измеряемой среды в рабочем канале 2 не происходит деформации отражающей поверхности 15. В нашем случае оно равно 4 мм. Причем полярность магнитных полюсов магнитотвердого эластомера 13 и маг- -нитов 6, соединенных магнитно через этот зазор должна быть согласной. Начальный рабочий зазор между торцами световодов 17 и отражающих поверхностей 15 установлен 160 мкм, что обусловлено характеристикой рефлектометрического преобразователя на волоконно-оптическом световоде со случайным распределением волокон. Угол отклонения поворотной области 3 может меняться от 0 до 45° в обе стороны. При этом магнит 6 перемещается

в подложке 12 на 3,5 мм, а зазор между торцом световода 17 и отражающей поверхностью 15 изменяется от 160 по 40 мкм

ПрЬд 1аГс113МЫ1/1 ь iOi iа ,

5 расходомер работает следующим оЬразом. При отсутствии измеряемой среды в рабочем канале 2 расходомера поток света от источника 18 через разветвитель 19 поступает по световодам 17 на магнитоуправляе10 мую отражающую поверхность 15, то т.к. поворотная лопасть 3 не отклоняется, то начальный рабочий зазор между торцами световодов 17 и отражающими поверхностями 15 не изменяется и поэтому отражен15 ный световой поток с равной постоянной амплитудой поступает на фотоприемники 20 и 21, где преобразуются в электрические сигналы, которые подаются на входы дифференциального усилителя 22. С выхода

0 усилителя 22 снимается разностный нулевой сигнал, что говорит об отсутствии расхода измеряемой среды. При этом благодаря вычитанию сигналов исключаются погрешности измерений вызванные влиянием ок5 ружающей среды, например температуры, атмосферного давления и т.п.

При появлении измеряемой среды в рабочем канале 2 при прямой или обратной ее транспортировке, например слева направо,

0 измеряемая среда воздействует на поворотную лопасть 3, отключая ее по ходу движения измеряемого потока. В этом случае левый магнит 6 под воздействием рычагов 10 будет подниматься, а первый магнит 6

5 будет опускаться. Причем левый магнит б, приближаясь к подложке 12, начинает взаимодействовать с магнитной жидкостью 14. которую удерживает равномерным слоем магнитное поле магнитотвердого эластоме0 ра 13 при отсутствии расхода среды, а правый магнит 6 еще более исключается из подобного взаимодействия, т.к. он в этот момент удаляется от магнитной жидкости 14. Взаимодействие левого магнита б со

5 слоем магнитотвердого эластомера 13 и магнитной жидкости 14 заключается не в перемещении их в пространстве путем при- , тяжения или отталкивания, как в известных устройствах, а путем сложения полей магни0 та 5 и магнитотвердого эластомерз 13 на локальном участке под торцом световода 17. Так как их магнитные поля включены согласно, то в результате сложения полей проис- ходит локальное увеличение магнитного

5 поля магнитотвердого эластомера 13 на участке взаимодействия с магнитом 6, что приводит к дополнительному перемещению в эту зону части магнитном жидкости 14, т.е. к локальному увеличению толшнны слоя. Это приводит к деформации отражающей поверхности 15 в сторону торца световода 17. Изменение рабочего зазора волоконно-оптического преобразователя вызывает модуляцию светового потока в левом световоде 17 пропорционально расходу измеряемой среды, а в правом световоде световой поток остается неизменным. Световые сигналы с обоих световодов 17 поступают на свои фотоприемники 20 и 21, где преобразуются в электрические сигналы и поступают на входы дифференциального усилителя 22. Так как при этом сигнал от правого магнито-оп- тического преобразователя остается без из- менения, а от левого уменьшается пропорционально расходу среды, то на выходе дифференциального усилителя 22 появляется растущий пропорционально расходу отрицательный сигнал, что говорит о прямом расходе среды, например о ее транспортировке из расходной емкости,

При изменении направления потока в рабочем канале 2 расходомера аналогичным образом происходит деформация только правой магнитоуправляемой отражающей поверхности 15, а на выходе усилителя 22 появляется растущий пропорционально расходу положительный сигнал, что говорит об обратном расходе среды, например о ее транспортировке в расходную емкость. Установка в предлагаемом расходомере двух магнитооптических преобразователей при совмещении оптических и магнитных осей в зоне взаимодействия позволяет в полной мере использовать чувствительность ре- флектометрического волоконно-оптического преобразователя на базе световода с расположенными волокнами, которая в 2 раза выше чем у других волоконно-оптических преобразователей. Это приводит к увеличению чувствительности предлагаемого расходомера и к расширению его эксплуатационных качеств, т.к. расширяется диапазон измерений в сторону измерения малых расходов без увеличения площади поворотной лопасти и обеспечивается двустороннее действие расходомера, что говорит о достижении цели изобретения.

В нашем случае предлагаемый расходомер использовался в газохранилище для измерения расхода природного газа в режиме двустороннего действия. Максимальный измеряемый расход составил 320 м /ч, в минимальный 10 м /ч. Давление в-системе не превышало 5 МПа. При максимальном расходе угол отклонения поворотной лопасти не превышал 40°, поэтому возникновения

вибрации отмечено не было, Погрешность по всему диаметру измерений не превышала ±0,5%.

Формула изобретения

Волоконно-оптический расходомер, содержащий немагнитный корпус с крышкой, в котором размещена на оси поворотная лопасть, первая консоль которой установлена через окно поперек оси измерительного

участка трубопровода, а-вторая консоль связана с первым магнитооптическим преобразователем, включающим постоянный магнит, установленный с возможностью взаимодействия через крышкус подвижным

5 магнитным элементом, на котором размещен элемент с отражающей поверхностью, оптически сопряженной с первым торцом волоконного световода с ответвителем. второй торец которого соединен с приемником

0 света, а также источник света и блок формирования выходного сигнала, первый вход которого соединен с приемником света первого магнитооптического преобразователя, отличающийся тем, что, с целью

5 повышения чувствительности и расширения эксплуатационных качеств за счет непрерывного измерения расхода как прямого, так и обратного потоков среды, в него введены второй идентичный первому магнито0 оптический преобразователь, первый и второй клинья, установленный с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости и соединенные с первым и вторым рычагами, оканчивающимися шарнирами, и

5 пластинка эластомера с включениями из магнитотвердого материала, а подвижный магнитный элемент выполнен в виде слоя магнитной жидкости, при этом вторая консоль поворотной лопасти связана с постоян0 ными магнитами первого и второго магнитооптических преобразователей через первые рычаг и клин, установленные по одну сторону от оси поворотной лопасти, и через вторые рычаг и клин, установленные

5 по другую сторону от оси поворотной лопасти, пластинка эластомера размещена между крышкой корпуса их немагнитного материала и слоем магнитной жидкости, источник света соединен с ответвителями во0 локонных световодов первого и второго магнитооптических преобразователей, а выход приемника света второго магнитооптического преобразователя соединен с вторым входом блока формирования выход5 ного сигнала, который выполнен в виде дифференциального усилителя.

Использование: техника измерения расхода, преимущественно загрязненный и агрессивных жидкостей и газов Сущность изобретения: чувствительная поворотная лопасть снабжена двумя постоянными магнитами, сопряженными каждый со слоем магнитной жидкости, на границе которой установлен упругий отражающий элемент, волоконные световоды сопряжены с отражателем и подключены к источнику света и приемному дифференциальному усилителю. 1 ил