ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области измерения волоконно-оптическими датчиками быстро меняющегося давления жидкостей и газов, преимущественно в труднодоступных местах и при повышенных температурах, в частности, при измерении давления воздуха, топлива, масла в агрегатах газотурбинного двигателя или в нефтяных и газовых скважинах.
Известен волоконно-оптический датчик (Заявка KR №20010023073А, МПК G06Q 50/00, публ. 16.11.2002), в котором интерферометр Фабри-Перо образован зазором между деформируемым элементом в виде тонкой пластины (мембраны) из монокристаллического кремния, которая крепится к торцу ферулы (капилляра) из кварцевого или боросиликатного стекла методом анодной сварки, и торцом одного оптического волокна из кварцевого стекла, закрепленного внутри ферулы. К преимуществам такого датчика можно отнести простоту оптической схемы детектирования положения элемента, деформирующегося под воздействием внешнего давления, и простоту конструкции. Недостатком является применение деталей из разных по физическим свойствам материалов, что приводит к повышенной температурной погрешности, при этом не предусмотрен элемент, компенсирующий эту погрешность.
Известен волоконно-оптический датчик (Патент US№4589286, МПК G01L 7/08, G01L 9/00, публ. 20.05.1986), в котором два интерферометра образованы тонкой деформируемой мембраной из кварцевого стекла, которая с зазором закреплена к базовому элементу из кварцевого стекла методом молекулярной сварки их полированных поверхностей, и двумя парами оптических волокон, расположенных в каналах базового элемента, при этом оптическое излучение в прямом и обратном направлений проходит через линзы, закрепленные в базовом элементе. Преимуществом является использование кварцевого стекла в качестве материала основных элементов и способ их соединения, что позволяет снизить температурное влияние на работу датчика и использовать его при повышенных температурах. К недостаткам можно отнести использование предложенной оптической схемы детектирования положения деформируемой мембраны и конструкции, требующие точное изготовление компонентов и их сборки, что делает сложным процесс производства датчика.
Известны волоконно-оптические датчики (Патент US№7423762, МПК G01B 11/02, G01B 9/02, публ. 09.09.2008 и Патент RU№146605, МПК E21B 47/06, G01L 11/02, публ. 20.10.2014), основанные на Интерферометре Фабри-Перо в виде вплавленных внутри деформируемой стеклянной трубки подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна, смежные торцы которых расположены с зазором относительно друг друга и образуют зеркала интерферометра, причем для компенсации температурной погрешности в подводящее оптическое волокно может быть введена внутриволоконная брэгговская дифракционная решетка (Патент RU№146605). Преимуществом является простота оптической схемы и способ компенсации температурной погрешности. Недостатком является низкая чувствительность (отношение величины изменения зазора между зеркалами к величине измеряемого давления), поскольку изменение зазора между зеркалами происходит вследствие всестороннего сжатия капилляра, который характеризуется высоким значением модуля Юнга.
Известны волоконно-оптические датчики на Фабри-Перо с мембраной, имеющей диаметр соразмерный с диаметром волокна, на торце которого она закреплена методом сварки, образуя с торцом волокна зеркала интерферометра (Патентные документы US№4678904, МПК G01B 11/02, G01B 9/02, публ. 09.09.2008; US20050062979, МПК: G01B 9/02, G01H 9/00, публ. 24.03.2005; US20080159687A1, B29D 11/00, G02B 6/00, публ. 03.07.2008; US9528893, МПК: В32В 37/02, В32В 37/06, 27.12.2016). Для компенсации температурной погрешности в оптическое волокно может быть введена внутриволоконная брэгговская дифракционная решетка (Патент US№876467 В, МПК: А61В 6/00, С03С 25/68, G01B 9/02, публ. 01.07.2014). Преимуществом является простота оптической схемы, компактность конструкции и способ компенсации температурной погрешности. Недостатком является слабая чувствительность и узкий диапазон измерения в области невысоких давлений, поскольку чувствительность к давлению пропорциональна четвертой степени диаметра мембраны и обратно пропорциональна кубу толщины мембраны, и для достижения приемлемой чувствительности толщина мембраны с диаметром 60-125 мкм (диаметр волокна) должна быть равна 1-2 мкм, что является не только сложной технической задачей из-за неравномерности исходной толщины заготовок, но и является ограничением для измерения высоких давлений.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемой полезной модели является чувствительный элемент датчика давления, опубликованный в статье «Волоконно-оптический датчик высокого давления на основе интерферометра Фабри-Перо» Фадеев К.М. и др. ВКВО-2019. Спецвыпуск «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019». Октябрь 2019. Чувствительный элемент датчика давления характеризуется тем, что содержит интерферометр Фабри-Перо, состоящий из мембраны из кварцевого стекла, отражающего покрытия на деформируемой части мембраны, волоконного световода, с образованием зазора между покрытием на деформируемой части мембраны и поверхностью торца волоконного световода, закрепленного в канале ферулы, при этом зазор изолирован от внешней среды, а датчик давления выполнен с корпусом, мембрана и волоконный световод прикреплены к феруле с помощью химического сращивания, а диаметр деформируемой части мембраны больше диаметра светопроводящей сердцевины волоконного световода в 40…60 раз, и толщина деформируемой части мембраны меньше диаметра ее деформируемой части в 10…15 раз, но не менее 40 мкм, в сердцевину волоконного световода в области ферулы введена брэгговская дифракционная решетка, на деформируемой части мембраны нанесено отражающее покрытие из материала, например, металла или диэлектрика.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается только при осуществлении предлагаемого технического решения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является температурная погрешность из-за температурного расширения деталей датчика. Датчик рассчитан на диапазон температур от минус 60°С до +200°С при этом, несмотря на очень низкий температурный коэффициент расширения кварцевого стекла, из которого выполнены все детали чувствительного элемента датчика давления, все равно в таком широком диапазоне температур будет происходить перемещение упругой части мембраны именно из-за теплового расширения и без встроенного датчика температуры в датчик давления невозможно компенсировать эту температурную погрешность датчика давления. Типичная температурная погрешность датчика давления из кварцевого стекла составляет около 0,5 нм/°С или около 0,011 бар/°С, т.е. около 3 бар для указанного температурного диапазона. Введение в датчик давления независимого также оптического датчика температуры, и сигнал которого обрабатывается тем же самым устройством опроса, позволяет практически исключить эту погрешность.
Техническая задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в созданий чувствительного элемента волоконно-оптического датчика давления с высокой чувствительностью и достаточной точностью в заданном диапазоне давлений и температур.
Техническая проблема решается тем, что в чувствительном элементе датчика давления, содержащем интерферометр Фабри-Перо, состоящем из мембраны из кварцевого стекла, отражающего покрытия на деформируемой части мембраны, волоконного световода, с образованием зазора между покрытием на деформируемой части мембраны и поверхностью торца волоконного световода, закрепленного в канале ферулы, при этом зазор изолирован от внешней среды, а датчик давления выполнен с корпусом, согласно полезной модели, мембрана и волоконный световод прикреплены к феруле с помощью химического сращивания, а диаметр деформируемой части мембраны больше диаметра светопроводящей сердцевины волоконного световода в 40…60 раз, и толщина деформируемой части мембраны меньше диаметра ее деформируемой части в 10…15 раз, но не менее 40 мкм, в сердцевину волоконного световода в области ферулы введена брэгговская дифракционная решетка, на деформируемой части мембраны нанесено отражающее покрытие из материала, например, металла или диэлектрика, согласно полезной модели, корпус является составным термостойким, например, металлическим, керамическим или композитным, волоконный световод содержит защитное покрытие, выполненное из термостойкого материала, например, из металла или полимера, и при этом расположен в кабеле из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера.
В отличие от прототипа, корпус является составным термостойким, например, металлическим, керамическим или композитным, волоконный световод содержит защитное покрытие, выполненное из термостойкого материала, например, из металла или полимера, и при этом расположен в кабеле из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера.
На фиг. 1 представлен продольный разрез датчика давления.
На фиг. 2 представлен увеличенный продольный разрез чувствительного элемента датчика давления.
Чувствительный элемент датчика давления содержит интерферометр Фабри-Перо, который содержит защитное покрытие волоконного световода, выполненное из термостойкого материала, например, из металла или полимера, состоящий из мембраны 1 из кварцевого стекла, отражающего покрытия 2 на деформируемой части 12 мембраны 1, волоконного световода 3, с образованием зазора 13 между отражающим покрытием 2 на деформируемой части 12 мембраны 1 и поверхностью торца 11 волоконного световода 3, закрепленного в канале (без позиции) ферулы 5, при этом зазор 13 изолирован от внешней среды. Датчик давления (без позиций) выполнен с составным корпусом 7, 9, 10.
Мембрана и волоконный световод 3 закреплены к феруле 5 с помощью химического сращивания 6, при этом не образуются остаточные внутренние напряжения в кварцевом стекле (без позиции) и не происходит деформация этих деталей, как это происходит при лазерной сварке или электродуговой сварке, или при сплавлении в водородной горелке как в прототипе.
Диаметр Б деформируемой части 12 мембраны 1 больше диаметра Г светопроводящей сердцевины (без позиций) волоконного световода 3 в 40…60 раз, и толщина В деформируемой части 12 мембраны 1 меньше диаметра ее деформируемой части Б в 10…15 раз, но не менее 40 мкм. Эти соотношения выбраны и основаны на экспериментальных данных, и соответствуют датчику на базе деталей из кварцевого стекла, например, типа КУ-1 и с чувствительностью около 0,2 бар и рассчитанному на диапазон Давлений до 400 бар. При этом можно изменить эти соотношения между толщиной и диаметром деформируемой части мембраны (сохраняя при этом диапазон изменения зазора между мембраной и торцом волоконного световода) для получения датчика, рассчитанного на более высокие или, наоборот, более низкие значения максимального давления среды (или для получения более высокой или низкой чувствительности датчика). Толщина В деформируемой части 12 мембраны 1 не менее 40 мкм. Толщина менее 40 мкм не обеспечит необходимой прочности кварцевого стекла мембраны 1 для рабочего диапазона давлений до 200-300 бар.
В сердцевину волоконного световода 3 в области ферулы 5 введена брэгговская дифракционная решетка 4, что позволит измерять температуру практически самого датчика давления и обеспечить снижение температурной погрешности датчика давления за счет алгоритмической температурной компенсации показаний датчика давления. На деформируемой части 12 мембраны 1 нанесено отражающее покрытие 2 из материала, например, металла или диэлектрика. Отражающее покрытие из материала, например, металла или диэлектрика выбирается из условия долговременной стойкости к температуре +200°С и обеспечивает коэффициент отражения не менее 60%, лучше не менее 95%, при этом достигается технический результат - увеличение интерференционного контраста с ~0,40 до 1,60 (при коэффициенте отражения 60%), что увеличивает чувствительность датчика в четыре раза (при коэффициенте отражения 60% чувствительность датчика увеличивается в ~4,8). Кроме того, отражающее покрытие обеспечивает снижение искажения интерференционной картины из-за дополнительной интерференции с волной, отраженной от границы раздела стекло - измеряемая среда. При этом за счет вариации типа среды (жидкость или газ) или температуры среды меняется показатель преломления и, как следствие, коэффициент отражения от этой границы раздела, что приводит к искажению интерференционной картины, затрудняющего обработку сигнала датчика системой опроса датчика. Снижение модуляции интерференционной картины происходит с тем же коэффициентом, что и чувствительность датчика. Снижение модуляции интерференционной картины выравнивает интерференционный контраст и делает его максимальным, а значит также увеличивает чувствительность датчика.
Корпус 7,10 датчика давления является составным термостойким, например, металлическим, керамическим или композитным. Элемент 9 в составном корпусе выполнен из термостойкого полимера и обеспечивает температурное согласование деталей элемента чувствительного из стекла и деталей корпуса 7 и 10. Корпус термостойкий, например, металлический, керамический или композитный выбирается из условий стойкости к температуре +200°С и вибрации объекта, и обеспечивает температурное согласование между стеклянными деталями датчика и металлическими деталями объекта, а также обеспечивает защиту стеклянных деталей датчика от внешних механических воздействий, и обеспечивает герметичное присоединение элемента чувствительного датчика к объекту измерения (как правило, из металла) с учетом требований к присоединительному размеру. При этом достигается технический результат - герметичное присоединение стеклянного элемента чувствительного датчика к металлическому объекту измерения, позволяющее многократно присоединять датчик к объекту. Защитное покрытие 14 волоконного световода 3 выполнено из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера. Термостойкий материал, преимущественно из металла (в частности, медь, алюминий) или полимера (в частности, полиимид, силикон) выбирается из условий долговременной эксплуатации датчика при температуре +200°С и обеспечивает стойкость волоконного световода к температурным воздействиям, при этом достигается технический результат -долговременная работа датчика в условиях температуры +200°С. Волоконный световод 3 расположен в кабеле 8 из термостойкого материала, преимущественно из металла или полимера.
В результате применения предлагаемой конструкции чувствительного элемента датчика давления повышается температурная стойкость за счет уменьшения температурной погрешности путем измерения температуры датчика давления независимым оптическим датчиком и температурной компенсации его показаний давления среды.
Чувствительность датчика в заданном диапазоне температур от минус 60 до плюс 200°С с обеспечением погрешности измерения избыточных давлений в диапазоне от 0 до 200 бар не более 1 бар за счет применения мембраны, работающей на прогиб, покрытия, использования кварцевого стекла, обладающего низким коэффициентом теплового расширения и термостойкостью, в качестве материала компонентов, однородного соединения этих компонентов, оптимальной геометрии мембраны и наличия компенсатора температурной погрешности (ВБР) и отражающего покрытия, увеличивающего соотношение сигнал/шум.
Таким образом, предлагаемая полезная модель с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет получить чувствительный элемент волоконно-оптического датчика давления, обладающего простой конструкцией, высокой чувствительностью и достаточной точностью в заданном диапазоне давлений и температур.