ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
FIBRE-OPTIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области волоконно-оптических средств измерений давления, и применимо в нефтяной и газовой промышленности, медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.
Известен волоконно-оптический датчик давления, в корпусе которого закреплена мембрана с жестким центром и утолщенной периферийной частью и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных в виде световодов с источником света и фотоприемниками. Торцы световодов установлены соответственно напротив центральной и периферийной частей мембраны. Между отражающими поверхностями мембраны и торцами световодов выполнена светозащитная перегородка, имеющая конфигурацию, аналогичную конфигурации периферийной части мембраны (патент РФ №92004980, МПК G01L 11/00, опубл. 1995.07.09).
Недостатками известного датчика являются его габариты из-за наличия большого количества элементов, входящих в состав датчика, и его повышенная взрывоопасность из-за наличия в корпусе фотоприемников. Таким образом, свет преобразовывается в электрический сигнал прямо в датчике.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, в котором закреплены световод и фотоприемник, связанные между собой с помощью оптического канала, а также мембрана. В оптическом канале дополнительно размещены по ходу движения луча рассеивающая линза, рамка со световой щелью и соединенная через коромысло с упругой мембраной подвижная светонепроницаемая перегородка, установленная с возможностью перемещения, обеспечивающего линейную зависимость площади световой щели от перемещения упругой мембраны. Световая щель рамки выполнена в виде прямоугольника, вписанного в рабочее поле фотоприемника [патент РФ №2269755, кл. G01L 11/00, опубл. 10.02.2006]. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - корпус с закрепленной в нем упругой мембраной; оптический канал, содержащий фиксируемый световод.
Недостатком известного датчика, принятого за прототип, является наличие тока в фотоприемнике. При работе во взрывоопасных средах возникает необходимость пожаробезопасного исполнения датчика, которое приводит к увеличению его габаритов.
Известна в работе [Основы физики и техники использования оптического волокна: лабораторная работа по курсу радиофизики, сост.: В.А. Астапенко, В.А. Баган, С.А. Никитов. - М: МФТИ, 2010. - 51 с.] зависимость оптических потерь при поперечном смещении оптических волокон (фиг. 2). Из фиг. 2 видно, что с увеличением поперечного смещения оптические потери возрастают, что приводит к пропорциональному уменьшению интенсивности света. Однако в этой работе не предложена конструкция, обеспечивающая контролируемое перемещение оптоволокон, регулировку датчика.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение диапазона применения датчика во взрывоопасных средах при сохранении его малых габаритов.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный волоконно-оптический датчик давления, включающий корпус с закрепленной в нем упругой мембраной, оптический канал, содержащий фиксируемый световод, согласно изобретению снабжен сальником, а оптический канал дополнительно содержит подвижный световод, соединенный через штангу с мембраной, при этом подвижный и фиксируемый световоды установлены с возможностью поперечного перемещения относительно своих осей, причем фиксируемый световод установлен с возможностью перемещения и фиксации в корпусе с помощью винта и гайки, а сальник расположен по торцам входа и выхода световодов.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от признаков решения по прототипу, - наличие в оптическом канале подвижного световода, соединенного через штангу с мембраной; установка подвижного и фиксируемого световодов с возможностью поперечного перемещения относительно своих осей; установка фиксируемого световода с возможностью перемещения и фиксации в корпусе с помощью винта и гайки; наличие сальника, расположенного по торцам входа и выхода световодов.
Наличие в оптическом канале фиксируемого световода и соединенного через штангу с мембраной подвижного световода, установленных с возможностью поперечного перемещения относительно своих осей, позволяет измерять интенсивность света, тем самым давление, без применения электрических компонентов, следовательно, расширяет диапазон применения датчика во взрывоопасных средах при сохранении его малых габаритов.
Установка фиксируемого световода с возможностью перемещения и фиксации в корпусе с помощью винта и гайки позволяет настраивать датчик непосредственно в процессе его эксплуатации, следовательно, расширяет диапазон применения датчика.
Наличие сальника, расположенного по торцам входа и выхода световодов, приводит к уменьшению внутренних потерь в световоде при его изгибе, следовательно, расширяет диапазон применения датчика.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показана зависимость оптических потерь при поперечном смещении оптических волокон.
1
0
Волоконно-оптический датчик давления включает корпус 1 с закрепленной в нем упругой мембраной 2, оптический канал, содержащий фиксируемый 3 и подвижный 4 световоды. Фиксируемый 3 и подвижный 4 световоды закреплены в оптическом канале через хомут фиксации 5 оптического световода и перемычки хомутов 6. Подвижный световод 4 соединен через штангу 7 с мембраной 2. Подвижный 4 и фиксируемый 3 световоды установлены с возможностью поперечного перемещения в направляющем пазу 8 относительно своих осей. Направляющие пазы 8 выполнены в корпусе 1 датчика. Фиксируемый световод 3 способен перемещаться в оптическом канале только во время настройки оператором. Для настройки фиксируемого световода 3 в корпусе 1 имеется гайка 9 и винт 10. Измеряемая среда по давлением p подается в корпус 1 через отверстие 11. Часть корпуса 1 по другую сторону от мембраны 2 сообщается через отверстие 12 с окружающей атмосферой, имеющей давление p. Изолятором атмосферного давления с измеряемым служит сальник 13, расположенный по торцам входа и выхода световодов 3 и 4. Также сальник 13 приводит к уменьшению внутренних потерь в световоде при его изгибе.
Волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом.
Измеряемое давление через отверстие 11 в корпусе 1 подается на упругую мембрану 2. Мембрана 2 жестко связана со штангой 7, которая перемещает хомут фиксации 5 оптического световода и вызывает поперечное перемещение подвижного световода 4 в направляющем пазу 8. При этом изменяется интенсивность света, выходящего из фиксированного световода 3 и попадающего в подвижный световод 4. Эта интенсивность максимальна, когда оси световодов совпадают, и уменьшается при поперечном смещении подвижного световода 4 относительно фиксируемого 3. Таким образом, интенсивность света на выходе подвижного световода 4 зависит от перемещения упругой мембраны 2.
Расширение диапазона применения датчика во взрывоопасных средах при сохранении его малых размеров обеспечивается отсутствием тока в корпусе датчика.
Технико-экономическая эффективность от использования волоконно-оптического датчика давления выражается, во-первых, в расширении диапазона применения датчика во взрывоопасных средах, во-вторых, в уменьшении габаритов датчика за счет вынесения источника излучения и измерительного прибора за его пределы.