Оптический детектор разности давлений

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим устройствам преобразования давления.
Известен преобразователь механических величин в оптический сигнал, конструкция которого выполнена в виде упругой трубки с неподвижным основанием, на котором закреплены световоды, и светоотражающего элемента, границы которого совпадают с осями световодов. Патент Российской Федерации на изобретение № 2559312, МПК G01L 11/02, 10.08.2015.
Устройство в ряде случаев может использоваться в системах детектирования разности давлений, однако его конструкция обладает повышенной жесткостью, поскольку упругим элементом является трубка, которая одновременно выполняет и функцию внешнего корпуса. Кроме того, камеры для приема измеряемого давления при использовании данной конструкции преобразователя должны быть разделены между собой упругими элементами, которые вносят дополнительную жесткость в систему и накладывают ограничения из-за сложности изготовления такого устройства.
Известен оптический детектор разности давлений, содержащий оптические световоды, две камеры для приема измеряемых давлений, упругие элементы, соосно закрепленные в камерах, шток, расположенный внутри корпусного элемента и жестко закрепленный между центрами упругих элементов. В центральной части штока сформирована отражающая поверхность. Оси оптических световодов перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают её левую и правую границы, а направления смещений отражающей поверхности совпадают с осью каждого из упругих элементов. Патент Российской Федерации на изобретение № 2547896, МПК G01L 11/02, 10.04.2015. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Упругие элементы, шток и некоторые другие детали в прототипе изготовлены из монокристаллического кремния. Такое решение налагает ряд ограничений на область использования устройства. Хрупкость монокристаллических материалов и их малые допустимые деформации не позволяют использовать данное техническое решение в условиях жестких внешних факторов, например, при механических воздействиях. Хрупкость монокристаллических упругих элементов также не позволяет детектировать значительные величины разности давлений в камерах, поскольку это потребует больших прогибов упругих элементов и, как следствие, ухудшит надежность устройства в целом. Это обстоятельство сужает область применения данного технического решения.
Задачей полезной модели является создание оптического детектора разности давлений для приборов с повышенными требованиями к надежности в условиях механических воздействий.
Техническим результатом является повышение надежности оптического детектора разности давлений.
Технический результат достигается тем, что оптический детектор разности давлений содержит корпус, две камеры, упругие элементы, закрепленные соосно друг относительно друга, шток, оптические световоды, относительно торцов которых на расстоянии сформирована отражающая поверхность, перпендикулярная осям оптических световодов, причем продолжения осей указанных световодов пересекают её левую и правую границы, направления смещений отражающей поверхности совпадают с осью каждого из упругих элементов, каждый из упругих элементов выполнен в виде сильфона, на одном конце закреплённого на штоке, а на другом конце – на корпусе.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1–8.
На фиг. 1 схематично представлен оптический детектор разности давлений, где:
1 – левый световод;
2 – правый световод;
3 – шток;
4, 5 – сильфоны;
6 – корпус;
7 – втулки;
1
8 – камера для приема измеряемого давления Р;
2
9 – камера для приема измеряемого давления Р.
На фиг. 2 схематично представлено расположение сечений световодов, при совпадении положения осей левого световода 1 и правого световода 2 соответственно с левой и правой границами отражающей поверхности 10.
На фиг. 3 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении левого световода 1 относительно левой границы отражающей поверхности 10.
На фиг. 4 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении правого световода 2 относительно правой границы отражающей поверхности 10.
На фиг. 5 - 7 представлены графики изменения интенсивности световых потоков, отражённых от поверхности 10 при смещениях штока 3 в пределах величины ± Δ, относительно торцов левого 1 и правого 2 световодов, где:
о.св.
I1 – интенсивность отражённого светового потока, направленного в левый световод 1,
о.св.
I2 – интенсивность отражённого светового потока, направленного в правый световод 2,
о.с.
I – интенсивность суммарного отражённого светового потока. Величина интенсивности светового потока выражена в относительных единицах.
На фиг. 8 представлен график изменения разностного сигнала, сформированного отражёнными световыми потоками левого 1 и правого 2 световодов при смещениях штока 3, где:
р.
U – величина разностного сигнала, выраженная в относительных единицах.
1
2
Оптический детектор разности давлений содержит камеру 8 для приема измеряемого давления Р и камеру 9 для приема измеряемого давления Р, шток 3, в центральной части которого сформирована отражающая поверхность 10, левый 1 и правый 2 световоды, закрепленные в корпусе 6 между камерами 8 и 9, сильфоны 4 и 5, соосно закрепленные в камерах 8 и 9 соответственно. Каждый из сильфонов приварен по контуру на одном конце к корпусу 6, а на другом – закреплен на штоке 3 посредством втулки 7, внутренний торец которой выполнен в виде упора. В случае воздействия односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением (предельное смещение штока 3 в любую из сторон, в направлении камеры 8 или 9) втулка 7 упирается в корпус 6, предотвращая тем самым чрезмерные деформации сильфонов 4 и 5.
Отражающая поверхность 10 строго ориентирована, относительно торцов левого 1 и правого 2 световодов, а именно продолжения осей указанных световодов пересекают ее левую и правую границы.
В исходном положении оси левого световода 1 и правого световода 2 соответственно совпадают с левой и правой границами отражающей поверхности 10 (фиг. 2). При отсутствии разности давлений, половина светового потока, направленного из левого 1 и правого 2 световодов на эту отражающую поверхность 10, отражается обратно, а вторая половина потока рассеивается. В качестве световодов 1 и 2 использованы оптоволоконные жгуты, представляющие собой тонкую трубку с многомодовыми оптическими волокнами. Световой поток, при этом, коллимирован для того, чтобы максимально исключить световые потери из-за расходимости света.
Оптический детектор разности давлений работает следующим образом.
1
2
Давления P и P подают соответственно в камеры 8 и 9. Сильфонами 4 и 5 давления измеряемой среды в камерах 8 и 9 преобразуют в линейные смещения штока 3 и, соответственно, отражающей поверхности 10, сформированной в центральной его части, в пределах величины ± Δ.
Смещения отражающей поверхности 10 определяют площади отражения световых потоков левого 1 и правого 2 световодов (фиг. 2 - 4), при этом изменения отражённых световых потоков для левого и правого световодов имеют обратную зависимость: если интенсивность отражённого потока для левого световода 1 увеличивается (фиг. 5), интенсивность отражённого потока для правого световода 2 уменьшается (фиг. 6) и наоборот. Анализ разности значений интенсивностей отражённых световых потоков (фиг. 8) позволяет определить величину смещения штока 3, которая пропорциональна разности давлений в камерах. Сигналы с обратно зависимыми значениями интенсивности отражения светового потока для каждого световода 1 и 2 позволяют исключить учёт потерь, связанных со старением оптической линии передачи сигнала, в ходе программной обработки сигнала от оптического детектора разности давлений: суммарный отражённый поток с обоих световодов 1 и 2, при любом смещении штока в пределах величины ± Δ, принимают равным "1" (фиг. 7).
Корпус 6, втулки 7, сильфоны 4 и 5 изготовлены из коррозионностойкой стали, например, марки 36НХТЮ или 12Х18Н10Т.
1
2
Поскольку сильфоны обладают более высокими диапазонами рабочих деформаций по сравнению с мембранами, а также более устойчивы к разрушению при механических воздействиях, использование таких упругих элементов позволяет повысить надежность оптического детектора разности давлений. Конструктивные параметры сильфонов подбирают исходя из значений давлений P и P, а также конструктивных особенностей прибора в целом.