ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-измерительным приборам для применения в нефтяной и газовой добывающей и химической промышленности, а более конкретно к аппаратуре для повышения точности измерения параметров давления и температуры.
Известен волоконно-оптический датчик давления для расходомеров массы топлива [Патент РФ №106365, G01L 7/08, G01L 11/02, 2011], который содержит корпус, мембрану, отражатель, установленного в центре мембраны, жгут световодов, объединенные концы которого сформированы в виде чередующихся подводящих и отводящих поток света жгута световодов. Разделенные концы и жгута световодов подведены соответственно к источнику оптического излучения и фотоприемнику. Каждое подводящее оптическое излучение волокно с двух сторон окружено отводящими оптическое излучение волокнами и наоборот каждое отводящее волокно с двух сторон окружено подводящими волокнами.
Известен волоконно-оптический датчик давления [Патент РФ №2630537, G01L 11/02, 2017], который содержит оптическое волокно, приемник излучения, вокруг оптического волокна нанесены последовательно электролюминесцентный и с радиальной поляризацией пьезоэлектрический концентрические цилиндрические слои, введены внутренний и внешний электроды с варьируемым управляющим напряжением, при этом внутренний электрод выполнен фотопрозрачным и установлен между оптическим волокном и электролюминесцентным слоем, а внешний электрод установлен вокруг пьезоэлектрического слоя.
Наиболее близким аналогом является известный волоконно-оптический датчик давления [Патент РФ №106366, G01L 11/02, 2011], который содержит конструкцию волоконно-оптического преобразователя, объединенные торцы которого сформированы в виде правильного шестиугольника с чередованием одного слоя подводящих пучков световодов с двумя слоями отводящих поток света пучками световодов. При этом этот объединенный торец расположен строго перпендикулярно к рабочей плоскости зеркального отражателя мембраны на расстоянии, определяемом геометрическими и оптическими параметрами пучков световодов. Для линеаризации статической характеристики волоконно-оптического датчика давления концы всех световодов в объединенном торце спечены в гексагональной укладке, проклеены и зажаты в цанги правильного шестиугольника.
Недостатком известных волоконно-оптических датчиков давления является существенная динамическая погрешность в функциональных преобразователях датчиков. Для определения динамических погрешностей используются передаточные функции, амплитудно-фазовые и амплитудно-частотные характеристики и импульсно-переходные характеристики.
Задача полезной модели - снижение динамической погрешности в волоконно-оптических преобразователях датчиков.
Технический результат - обеспечение высокой точности измерения параметров давления путем снижения динамической погрешности для применения в нефтяной и газовой добывающей и химической промышленности.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик давления, содержащий чувствительный элемент и волоконно-оптический преобразователь, объединенные торцы которого сформированы в виде правильного шестиугольника с чередованием одного слоя подводящих пучков световодов с двумя слоями отводящих поток света пучками световодов, объединенный торец которого расположен строго перпендикулярно к рабочей плоскости зеркального отражателя мембраны на расстоянии, определяемом геометрическими и оптическими параметрами пучков световодов, причем концы всех световодов в объединенном торце спечены в гексагональной укладке, проклеены и зажаты в цанги правильного шестиугольника, согласно полезной модели включен микроконтроллер и преобразователь «ток-напряжение» с возможностью коррекции динамической погрешности фотопреобразователя и чувствительного элемента датчика давления от воздействия температуры и давления среды, состоящий из прецизионного датчика температуры и преобразователя «ток-напряжение».
Микроконтроллер с программным обеспечением позволяет алгоритмически обеспечить стабильность параметров оптического излучателя и приемника волоконно-оптического датчика давления с возможностью коррекции динамической погрешности фотопреобразователя и чувствительного элемента датчика давления от воздействия температуры и давления среды. Канал датчика температуры состоит из прецизионного датчика температуры и преобразователя «ток-напряжение».
Существо полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена конструктивная схема волоконно-оптического датчика давления.
Волоконно-оптический датчик давления в соответствии с чертежом состоит из корпуса 1, внутри которого расположена мембрана 2 (чувствительный элемент) с центральной и периферической частями, зеркального отражателя 3, установленного в центре мембраны, жгута световодов 4 с объединенным торцом 5, сформированным в виде правильного шестиугольника, с чередованием одного слоя подводящих пучков световодов с двумя слоями отводящих поток света пучками световодов, расположенных перпендикулярно напротив зеркального отражателя 3 на расстоянии, определяемом геометрическими и оптическими параметрами пучков световодов, а разделенные концы 6 и 7 жгута световодов подведены соответственно к источнику света 8, соединенному через преобразователь «ток-напряжение» 9 с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) микроконтроллера 10, и фотоприемнику 11 с приемным усилителем, соединенным через преобразователь «ток-напряжение» 12 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) микроконтроллера 13. Канал измерения температуры состоит из датчика температуры 14, соединенным через преобразователь «ток-напряжение» 15 с АЦП микроконтроллера 16. С помощью втулки 17 и упругого кольца 18 мембрана 2 закреплена к корпусу 1 датчика давления с постоянным кольцевым натяжением по краю, а механизм юстировки 19 установлен между корпусом 1 и объединенным торцом 5. Защитный фильтр 20 установлен на корпусе 1.
Волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом.
Мембрана 2 с зеркальным отражателем 3 совершает под воздействием давления колебания по закону изменения амплитуды колебаний давления. Поэтому расстояние между зеркальным отражателем 3 и объединенным торцом 5 будет изменяться в соответствии с законом изменения давления, действующего на мембрану 2. Поток оптического излучения источника света 8, генерируемый ЦАП микроконтроллера 10 через преобразователь «ток-напряжение» 9, пройдя подводящие пучки световодов 6, освещает рабочую поверхность зеркального отражателя 3, а модулированный изменением давления поток оптического излучения по отводящим 7 поток света пучкам световодов возвращается к фотоприемнику 11, где преобразуется в электрические колебания, по частоте и амплитуде соответствующие колебаниям давления, которые через преобразователь «ток-напряжение» 12 выводятся на АЦП микроконтроллера 13. Механизм юстировки 19 обеспечивает радиальное и угловое согласование объединенного торца 5 относительно центра мембраны на расстоянии, определяемом геометрическими и оптическими параметрами пучков волоконных световодов. Защитный фильтр 20 предотвращает попадание крупных частиц топлива на рабочую поверхность мембраны 2.
Для коррекции динамической погрешности от воздействия параметров среды измерение температуры производится с помощью датчика температуры 14, от которого сигнал через преобразователь «ток-напряжение» 15 поступает на АЦП микроконтроллера 16.
Итак, заявляемая полезная модель позволяет обеспечить высокую точность измерения параметров давления путем снижения динамической погрешности для применения в нефтяной и газовой добывающей и химической промышленности.