ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТНЫХ И ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ
FIBRE-OPTIC SENSOR OF LIQUID AND AIR FLOW PARAMETERS

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано при создании датчиков скорости, расхода и других параметров жидкостных и воздушных потоков.
Известен датчик скорости потока жидкости содержащий корпус с консольно установленной внутри подвижной штангой, свободный конец которой выполнен с фигурным профилем, и регистратор, выполненный в виде тензорезисторов, включенных в мостовую схему (патент на изобретение №2039992, опубл. 20.07.1995, МПК G01P 5/02).
Недостатками данного технического решения являются:
- при работе в условиях высоких температур и агрессивной среды требуются специальные меры защиты устройства;
- при интенсивных динамических нагрузках возможно отслаивание основы, на которой закреплен воспринимающий элемент.
Близким по конструктивному исполнению механической части к предлагаемому изобретению является измеритель скорости потока, содержащий корпус в виде трубки с мембраной, в центре которой установлен стержень, снабженный обтекателем, а с внутренней стороны центр мембраны соединен с преобразователем поворота в виде конденсатора с двумя пластинами в виде сегментов (а.с. 1276992).
Основной недостаток данного устройства наличие электрического преобразователя в зоне измерения, что резко снижает его надежность при работе с искро-взрыво-опасными жидкостями.
Близким по конструктивному исполнению оптической части к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический преобразователь углового перемещения, содержащий подводящее и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых на расстоянии хо установлена перемещающаяся на угол а отражающая поверхность и неподвижная линия отражающей поверхности расположена относительно оптической оси подводящего оптического волокна на расстоянии L, оптическая ось подводящего оптического волокна расположена относительно оптической оси отводящих оптических волокон на расстоянии D (патент на изобретение №2419765, опубл. 27.05.2011, МПК G01B 21/00 (2006/01)).
Недостатками данного технического решения являются:
- изменение оптических свойств элементов конструкции при воздействии жидкости;
- невысокая точность измерения при возможных изгибах оптического волокна.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является оптический чувствительный элемент для измерительных преобразователей физических величин с погружным измерительным зондом, в состав которого входит корпус, защитное окно, излучатель и фотоприемник, расположенные вне контролируемой жидкости, и волоконно-оптический преобразователь, входные торцы оптических волокон которого образуют измерительный растр, плоскость которого расположена под углом к оси потока, а выходные торцы оптически связаны с фотоприемником, выход которого связан со входом электронного блока, при этом излучатель оптически связан с выходными четными торцами оптическими волокнами преобразователя, а фотоприемник оптически связан с нечетными выходными торцами оптических волокон [патент на изобретение №2254579 С1, опубл. 20.06.2005, МПК G01P 5/26, 3/36, G01F 1/66].
Недостатками указанного технического решения являются:
- сложность юстировки излучающих торцов подводящих оптических волокон соосно приемным торцам отводящих оптических волокон;
- практически полная потеря информации при контакте с жидкостью из-за малой чувствительности преобразования оптического сигнала, так как рассеянный световой поток ничтожно мал;
- неработоспособность устройства в непрозрачной для видимого и инфракрасного излучения из-за загрязнения прозрачного окна, если жидкость имеет загрязняющие составляющие (в то время как авторы декларируют измерения в различных жидкостях, в том числе оптически непрозрачных, например, нефти, сточных и технических водах, водопроводной воде в трубах большого диаметра, в открытых каналах и морях в экстремальных условиях эксплуатации).
В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающих заявленный технический результат.
Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности преобразования измерительной информации, технологичности и надежности конструкции, точности измерений параметров потока прозрачных и непрозрачных жидкостей и возможности измерения этой же конструкцией устройства параметров воздушных потоков, обеспечение абсолютной искро-взрыво-пожаробезопасности.
Указанный технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике параметров жидкостных и воздушных потоков (ВОДПЖВП), содержащем корпус, в котором расположен измерительный преобразователь в виде отражающей пластины, подводящий и отводящий оптические волокна, одним торцом состыкованные с источником и приемником излучения соответственно, а другим торцом расположенными на расстоянии X относительно отражающей пластины, а также разделительный элемент, на котором со стороны потока закреплен погружной воспринимающий элемент, отражающая пластина одним концом закрепляется с внутренней стороны разделительного элемента, выполненного в виде жесткой пластины, со стороны потока установлен в корпусе сильфон, одним торцом герметично соединенный с разделительным элементом, а другим торцом герметично соединенный с корпусом; погружной воспринимающий элемент расположен внутри сильфона, причем его свободный конец выступает за корпус.
На фиг. 1 приведена конструкция одноканального ВОДПЖВП, на фиг. 2 - геометрические построения к выводу функции преобразования волоконно-оптического углового преобразователя, на фиг. 3 - конструкция двухканального ВОДПЖВП, на фиг. 4 - варианты погружного воспринимающего элемента.
Датчик содержит корпус 1, в котором расположен разделительный элемент 2 (жесткая пластина) с закрепленной на нем отражающей пластиной 3 (фиг. 1). Со стороны отражающей поверхности пластины 3 расположены на расстоянии X параллельно друг над другом рабочие торцы подводящего оптического волокна (ПОВ) 4 и отводящего оптического волокна (ООВ) 5. На разделительном элементе 2 со стороны потока 6 закреплен сильфон 7, внутри которого соосно закреплен погружной воспринимающий элемент 8.
0
отр
Датчик работает следующим образом: световой поток Ф от источника излучения (ИИ) 9 поступает по ПОВ 4 на отражающую поверхность пластины 3 (фиг. 1). Отраженный от пластины 3 световой поток Ф по ООВ5 поступает на приемник излучения (ПИ) 10, где преобразуется в электрический сигнал.
Когда на воспринимающий элемент 8 воздействует жидкостный или воздушный поток 6, то он отклоняется на угол α, при этом сильфон 7 испытывает угловой изгиб, а жестко соединенный с ним разделительный элемент 2 поворачивается также на угол а, поворачивая на угол α пластину 3. Тогда
- для жидкостного потока:
где F, Р, Q, v - сила, давление, расход, скорость жидкостного потока,
- для воздушного потока:
где ϕ - аэродинамический угол.
отр
Функция преобразования оптической системы Ф датчика в общем виде имеет вид:
0
где Ф - световой поток, введенный в зону расположения пластины 3;
K(α) - коэффициенты передачи оптического тракта «ПОВ 4 - пластина 3 - ООВ 5»;
где ρ - коэффициент отражения зеркальной поверхности пластины 3;
- суммарная площадь приемных торцов ООВ 5, освещенная отраженным от зеркальной поверхности 3 световым потоком;
i=1…k - количество ООВ 5;
Э
S - площадь эллипсоидной зоны в плоскости приемных торцов ООВ 5 (фиг. 2),
NA
где Θ - апертурный угол оптического волокна.
1
2
С
Э
Э
Площади S и S представляют собой сектора, образованные взаимным пересечением окружности радиусом, равным радиусу r сердцевины ООВ, и эллипса, образованного отраженными лучами в плоскости общего торца ОВ, большая полуось которого R, а малая r, и хорды АВ длиной α.
С учетом геометрических построений на фиг. 2 определено:
где , где D=OO'.
Тогда выражение (4) с учетом выражений (6) и (7) перепишется следующим образом:
Данной конструкции свойственны погрешности, обусловленные изгибами оптического волокна, поэтому целесообразно добавить идентичный второй измерительный канал, т.е. ввести второе ПОВ 11, второе ООВ 12 (фиг. 3). На второй боковой поверхности отражающей пластинки 3 необходимо добавить вторую отражающую поверхность. Отраженный от второй отражающей поверхности пластины 3 световой поток по ООВ 12 поступает на второй приемник излучения 13.
отр
В этом случае, если в одном оптическом канале Ф увеличивается на ΔФ, то в другом - уменьшается на то же значение ΔФ.
В этом случае в электронном блоке преобразования сигналов реализуется функция преобразования
отр1
отр2
где k - коэффициент пропорциональности; Ф, Ф - функции преобразования оптических систем первого и второго измерительных каналов ВОДПЖВП.
Так как используется один источник излучения, то изменения его мощности, обусловленные воздействием негативных факторов (например, температуры) вызовет одинаковые изменения сигналов в двух измерительных каналах, а отношение (10) останется неизменным.
Воспринимающий погружной элемент 8 может иметь разные конфигурации (фиг. 4):
пот
1) Полый цилиндр 8, который закрепляется соосно сильфону 7 внутри него. Такая конструкция воспринимающего элемента увеличивает надежность воспринимающего элемента, в случае непредвиденного увеличения силы F. Цилиндр частично срезается (см. фиг. 4а). Секущая плоскость А-А находится приблизительно на расстоянии l, на котором относительно цилиндра сильфона находится отражающая пластина 3.
По длине цилиндр обрезается на уровне нижней части корпуса 1.
пот
Такая конструкция воспринимающего погружного элемента увеличивает чувствительность измерительного преобразователя F→α в противовес жесткости сильфона.
2) Самая простая конструкция воспринимающего погружного элемента в виде прямоугольной пластины, расположенной симметрично отражающей пластины 3 относительно оси датчика (см. фиг. 4б). Для повышения ее жесткости в месте крепления целесообразно сделать ребро жесткости.
3) Возможны варианты исполнения воспринимающего погружного элемента в виде стержня с утолщением (в виде молота, трапеции, сферы, конуса и др.) в зоне воздействия потока, тем самым увеличивается давление потока на воспринимающий элемент (см. фиг. 4в). Это особенно актуально в системах с малым напором, например, в системах жизнеобеспечения.
4) Во всех случаях в воспринимающем погружном элементе можно изготовить отверстия на поверхности, находящейся в непосредственном контакте с потоком, для снижения турбулентности, вносящей методическую погрешность в процесс измерения.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.
Волоконно-оптический датчик параметров жидкостных и воздушных потоков прост в изготовлении, не требует сложных технологических, котировочных и измерительных операций, имеет дешевую компонентную базу, обеспечивает высокие чувствительность преобразования и точность измерения параметров жидкостных и воздушных потоков в эксплуатационных условиях, в том числе в условиях искро- взрыво-пожароопасности и воздействия сильных электромагнитных помех.