ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, и может использоваться в датчиках и преобразователях разности давлений.
Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий, по крайней мере, одну волоконную решетку Брэгга, в котором оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца. Патент Российской Федерации на полезную модель №135119, МПК: G01D 5/353, 2013 г., аналог.
Недостатком аналога является пониженная надежность преобразователя из-за отсутствия защиты оптического волокна, закрепленного на упругом элементе, от измеряемой рабочей среды. При построении датчиков/преобразователей разности давлений, использующих конструктивное решение, представленное в описании аналога, необходимо решить проблему изоляции оптического волокна от физико-химических воздействий внешней среды. Это представляется весьма сложным, поскольку волоконная решетка Брэгга закреплена на поверхности упругого элемента (упругий элемент представляет собой подложку для оптического волокна), и дополнительные элементы защиты оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга неминуемо нарушат характеристики упругого элемента. Внешний диаметр оптического волокна, применяемого в волоконно-оптических системах дистанционного измерения физических величин, зачастую не превышает 250 мкм. При наличии мелких частиц в измеряемой рабочей среде, их механическое воздействие на незащищенное оптическое волокно может привести к его повреждению и, таким образом, потере оптического сигнала.
Известен датчик разности давлений, содержащий корпус с профилированными поверхностями под мембраны, мембраны, преобразователь давления, штуцеры, две камеры и шток. Чувствительный элемент датчика выполнен в виде балки с зоной деформации с закрепленным на ней оптическим волокном, измерительный канал сформирован, по меньшей мере, двумя волоконными брэгговскими измерительными решетками, при этом, хотя бы одна из измерительных решеток расположена вне зоны измеряемой деформации чувствительного элемента. Патент Российской Федерации на полезную модель №127461, МПК: G01L 9/12, 2013 г., прототип.
Недостатком прототипа является так же, как и у аналога, пониженная надежность из-за отсутствия защиты оптического волокна, закрепленного на балке, от жидкостной среды, заполняющей внутреннюю полость датчика. Исключить физико-химическое воздействие заполняющей жидкостной среды на оптическое волокно и, таким образом, повысить надежность преобразователя разности давлений возможно путем разработки такой конструкции чувствительного элемента, в которой оптическое волокно с волоконными решетками Брэгга изолировано от заполняющей рабочей среды.
Данная полезная модель устраняет недостаток прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент преобразователя разности давлений содержит силовую мембрану, жесткий центр, оптические волокна с измерительной и термокомпенсационной волоконными брэгговскими решетками, жесткий центр закреплен в кольцевой оправе посредством упругих трубок-капилляров, в которых закреплены оптические волокна с измерительной волоконной брэгговской решеткой, термокомпенсационной волоконной брэгговской решеткой и оптическое волокно результирующего сигнала, оси упругих трубок-капилляров расположены под углом 120° друг относительно друга, а оптическое волокно с измерительной волоконной брэгговской решеткой закреплено внутри упругой трубки-капилляра посредством транслирующих капилляров.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-3.
На фиг. 1 схематично представлен чувствительный элемент преобразователя разности давлений, где: 1 - силовая мембрана, 2 - жесткий центр, 3 - кольцевая оправа, 4 - упругая трубка-капилляр.
На фиг. 2 представлена структура оптической линии формирования сигнала в чувствительном элементе преобразователя разности давлений, где: 5 - оптическое волокно с измерительной (G) волоконной брэгговской решеткой, 6 - оптическое волокно с термокомпенсационной (Gt) волоконной брэгговской решеткой, 7 - оптический соединитель, 8 - оптическое волокно результирующего сигнала.
На фиг. 3 представлено расположение оптических волокон в упругих трубках-капиллярах, где: 9 - транслирующий капилляр, 10 - крышка, 11 - адгезионный материал.
1
2
Чувствительный элемент преобразователя разности давлений содержит силовую мембрану 1 для восприятия давлений P и Р, воздействующих на ее рабочие поверхности. Силовая мембрана 1 закреплена в кольцевой оправе 3. Жесткий центр 2 прикреплен к центральной части силовой мембраны 1 и, посредством трех упругих трубок-капилляров 4, закреплен в кольцевой оправе 3. Оси упругих трубок-капилляров расположены под углом 120° друг относительно друга (фиг. 1).
Оптическое волокно с измерительной (G) волоконной брэгговской решеткой 5 и оптическое волокно с термокомпенсационной (Gt) волоконной брэгговской решеткой 6 соединены в общую оптическую линию, представляющую собой оптическое волокно результирующего сигнала 8, посредством оптического соединителя 7 (фиг. 2).
В одной из трех упругих трубкок-капилляров закреплено оптическое волокно с измерительной (G) волоконной брэгговской решеткой 5, в другой -оптическое волокно с термокомпенсационной (Gt) волоконной брэгговской решеткой 6, в третьей - оптическое волокно результирующего сигнала 8 (фиг. 3). Оптический соединитель 7 размещен внутри жесткого центра 2, имеющего герметичную внутреннюю полость.
В исходном состоянии, поверхность силовой мембраны 1 не испытывает разности давлений и положение жесткого центра 2, прикрепленного к центральной части силовой мембраны, остается неизменным относительно кольцевой оправы 3. Кроме того, жесткость упругих трубок-капилляров 4, посредством которых жесткий центр закреплен в кольцевой оправе, исключает самопроизвольный прогиб силовой мембраны под весом жесткого центра.
Ввиду того, что конструктивное исполнение чувствительного элемента преобразователя разности давлений включает три упругие трубки-капилляры, обладающие значительной жесткостью в сравнении с силовой мембраной, для обеспечения необходимой чувствительности преобразования оптическое волокно с измерительной (G) волоконной брэгговской решеткой 5 закреплено в упругой трубке-капилляре 4 посредством транслирующих капилляров 9. Назначение транслирующих капилляров 9 состоит в передаче осевой деформации упругой трубки-капилляра 4, приходящейся на всю ее длину, к малому участку оптического волокна, содержащему измерительную (G) волоконную брэгговскую решетку 5. При этом, крутизна характеристики преобразования осевой деформации упругой трубки-капилляра 4 в деформацию оптического волокна с измерительной (G) волоконной брэгговской решеткой будет зависеть от соотношения длины упругой трубки-капилляра к длине участка закрепления оптического волокна с измерительной (G) волоконной брэгговской решеткой (определяемой длиной транслирующих капилляров). Размеры всех элементов конструкции чувствительного элемента преобразователя разности давлений, с учетом физических свойств материалов, рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае диапазона изменений измеряемой величины разности давлений.
Расположение осей упругих трубок-капилляров под углом 120° друг относительно друга позволяет равномерно распределить деформацию центральной части конструкции при прогибах (осевых смещениях) силовой мембраны в процессе преобразования разности давлений. Волоконные брэгговские решетки обеспечивают изменение спектра излучения, проходящего через оптическое волокно (излучатель и приемник излучения на фигурах не показаны). Оптическое волокно с измерительной волоконной брэгговской решеткой закрепляют в отверстиях транслирующих капилляров с преднатяжением. Это позволяет повысить точность преобразования путем исключения "мертвых зон" в области начальных деформаций упругой трубки-капилляра, в которой закреплена измерительная волоконная брэгговская решетка (в области начальных деформаций, и, особенно, при знакопеременных величинах осевого смещения жесткого центра наиболее вероятно появление неопределенностей измерений или явлений гистерезиса). При возникновении разности давлений и, таким образом, осевом смещении жесткого центра 2 относительно кольцевой оправы 3 (в любом направлении осевого смещения), измерительная (G) волоконная брэгговская решетка испытывает осевую деформацию (деформацию-растяжение).
Оптические волокна закреплены внутри упругих трубок-капилляров и, таким образом, защищены от внешней среды. Для закрепления оптических волокон используют адгезионный материал 11. При этом, оптическое волокно с термокомпенсационной (Gt) волоконной брэгговской решеткой 6 и оптическое волокно результирующего сигнала 8 закреплены посредством крышек 10, без натяжения. Отсутствие натяжения позволяет исключить влияние деформации упругих трубок-капилляров на эти оптические волокна.
Воздействие температуры на волоконную брэгговскую решетку вносит изменения в ее спектральные свойства. Это связано с изменением периода волоконной брэгговской решетки, вследствие температурного коэффициента расширения материала оптического волокна, и изменением показателя преломления светонесущей жилы оптического волокна, где расположена брэгговская решетка. Идентичность теплофизических параметров упругих трубок-капилляров позволяет повысить точность температурной коррекции (температурная коррекция осуществляется в процессе обработки сигнала в приемнике излучения) при работе чувствительного элемента преобразователя разности давлений, поскольку время отклика на изменение внешней температуры измерительной (G) и термокомпенсационной (Gt) волоконных брэгговских решеток, закрепленных в идентичных трубках-капиллярах будет одинаковым. Каждая из волоконных брэгговских решеток, при этом, имеет индивидуальную рабочую длину волны.
Упругие трубки-капилляры могут быть изготовлены из стали, например, марки 36НХТЮ. Силовая мембрана, транслирующие капилляры и прочие металлические элементы конструкции могут быть изготовлены из стали, например, марки 12Х18Н10Т. В качестве адгезионного материала для закрепления оптических волокон может применяться клей, например, марки К300.
Предлагаемая конструкция чувствительного элемента преобразователя разности давлений позволяет исключить воздействие рабочей среды на оптическое волокно и, таким образом, повысить надежность устройства.
Чувствительный элемент преобразователя разности давлений работает следующим образом.
Разность давлений, воздействующих на силовую мембрану 1 и вызывающую осевое смещение жесткого центра 2, относительно кольцевой оправы 3, посредством транслирующих капилляров 9, закрепленных в упругой трубке-капилляре 4, передают на оптическое волокно с измерительной (G) волоконной брэгговской решеткой 5. Деформация измерительной волоконной брэгговской решетки сопровождается изменением ее периода и, таким образом, изменением спектральных свойств излучения, прошедшего через нее.
Для учета температурного влияния на результаты измерений используют термокомпенсационную волоконную брэгговскую решетку. Сигналы с волоконных брэгговских решеток поступают в общую оптическую линию. Обработку суммарного оптического сигнала осуществляют в приемнике излучения.