ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, и может использоваться в системах дистанционного контроля перепадов давления жидкостных сред.
Известен датчик разности давлений, содержащий корпус, силовую мембрану, размещенную в корпусе, элемент передачи деформации, закрепленный в центре силовой мембраны, измерительную мембрану, плоскость которой расположена под углом к плоскости силовой мембраны и смещена относительно центральной части силовой мембраны, причем центр измерительной мембраны соединен с элементом передачи деформации, и преобразователь с чувствительным элементом. Корпус датчика выполнен из двух составных частей, между которыми установлена силовая мембрана, образуя две камеры в корпусе, сочленяемые стенки корпуса выполнены с выемками, образуя опорные поверхности для силовой мембраны, в каждой составной части корпуса установлена измерительная мембрана, центры измерительных мембран соединены элементами передачи деформации с центром силовой мембраны с противоположных ее сторон. Преобразователи выполнены в виде оптического волокна, закрепленного на поверхности каждой измерительной мембраны, а чувствительные элементы выполнены в виде волоконных брэгговских решеток, закрепленных в чувствительных зонах измерительных мембран. В зоне измерительной мембраны, не восприимчивой к деформации, расположена термокомпенсационная волоконная брэгговская решетка. Патент Российской Федерации №2527135, МПК: G01L 11/02, 2014 г., аналог.
Недостатком аналога является невысокая точность измерения разности давлений из-за усложненной геометрии рычажной передачи деформирующих воздействий от силовой мембраны до поверхности каждой из измерительных мембран. Конструкция требует сложных технологических операций по позиционированию измерительных мембран в корпусе, предполагающих высокоточную юстировку положения чувствительных элементов в соответствии с направлением суммарного вектора силы, действующей на силовую мембрану. При этом, особую сложность представляет необходимость в обеспечении полной конструктивной симметрии камер (возникновение различий в расположении чувствительных элементов друг относительно друга для двух камер, неизбежно вызовет различие в чувствительности к давлению в каждой из этих камер и, таким образом, ухудшение точностных параметров датчика).
Известен датчик разности давлений, содержащий корпус с профилированными поверхностями под мембраны, мембраны, преобразователь давления, штуцеры, две камеры и шток. Чувствительный элемент датчика выполнен в виде балки с зоной деформации с закрепленным на ней оптическим волокном, измерительный канал сформирован, по меньшей мере, двумя волоконными брэгговскими измерительными решетками, при этом, хотя бы одна из измерительных решеток расположена вне зоны измеряемой деформации чувствительного элемента. Патент Российской Федерации на полезную модель №127461, МПК: G01L 9/12, 2013 г., прототип.
Недостатком прототипа является сложность обеспечения точностных параметров при осуществлении преобразования смещения центрального штока, определяющего разность давления среды в камерах, в оптический сигнал. Данная сложность вызвана необходимостью закрепления оптического волокна на упругом элементе: измерительные брэгговские решетки подвергаются растяжению или сжатию, испытывая, также как и упругий элемент, изгибающее воздействие. Данная конструкция датчика требует устранения влияния адгезионного материала, необходимого при закреплении измерительных брэгговских решеток, на точностные параметры преобразования: при закреплении оптического волокна на упругом элементе необходимо исключить даже незначительные затекания адгезионного материала в область между оптическим волокном и упругим элементом. Данное требование вызывает значительные технологические трудности при изготовлении датчика, поскольку возникающие капиллярные силы "втягивают" адгезионный материал, посредством которого закреплено оптическое волокно, в область (в щель) между оптическим волокном и упругим элементом, и, поскольку каждая из брэгговских решеток работает "на изгиб", то затекший и, впоследствии, затвердевший слой адгезионного материала представляет собой тонкую прослойку с характерными упругими свойствами. Ввиду непредсказуемости затекания адгезионного материала в процессе закрепления оптического волокна на упругом элементе (количество затекшего материала и геометрическая форма растекания), весьма трудно обеспечить повторяемость точностных параметров при изготовлении серии датчиков. Устранить влияние адгезионного закрепляющего материала на точностные параметры преобразователя разности давлений возможно путем разработки такой конструкции преобразователя, в которой измерительные брэгговские решетки не подвергаются изгибающим деформациям и потому не требуют закрепления на поверхности упругого элемента.
Данная полезная модель устраняет недостатки прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что преобразователь разности давлений содержит корпусной элемент, две камеры, упругий элемент, силовые мембраны, оптические волокна с измерительными волоконными брэгговскими решетками, закрепленными на упругом элементе, упругий элемент выполненный в виде кольца, размещен внутри корпусного элемента симметрично оси симметрии его опорной поверхности и силовых мембран, измерительные волоконные брэгговские решетки размещены внутри кольцевой области упругого элемента, а оси оптических волокон с измерительными волоконными брэгговскими решетками взаимноперпендикулярны и ориентированы относительно осей силовых мембран так, что продолжение осей силовых мембран, совпадают с осями оптических волокон.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-3.
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 схематично представлен преобразователь разности давлений, где: 1 - камера для приема измеряемого давления P, 2 - камера для приема измеряемого давления Р, 3 - силовая мембрана с жестким центром, предназначенная для восприятия давления Р, 4 - силовая мембрана с жестким центром, предназначенная для восприятия давления Р, 5 - корпусной элемент, 6 - упругий элемент, 7 - ось симметрии опорной поверхности корпусного элемента и силовых мембран, 8 - первая оптическая линия с измерительной (G1) и термокомпенсационной (Gt) волоконными брэгговскими решетками, 9 - вторая оптическая линия с измерительной (G2) и термокомпенсационной (Gt) волоконными брэгговскими решетками, 10 - оптический соединитель, 11 - опорный элемент.
1
2
На фиг. 2 схематично представлена форма упругого элемента при возникновении разности давлений ΔР с условием P<Р, показано направление деформации измерительной волоконной брэгговской решетки G1.
1
2
На фиг. 3 схематично представлена форма упругого элемента при возникновении разности давлений ΔР с условием P>Р, показано направление деформации измерительной волоконной брэгговской решетки G2.
1
2
Преобразователь разности давлений содержит камеру 1 для приема измеряемого давления P и камеру 2 для приема измеряемого давления Р.
1
2
Посредством силовых мембран 3 и 4, давление из камер 1 и 2 передают на упругий элемент 6. Упругий элемент 6 представляет собой тонкостенное кольцо, изготовленное из металлической ленты. Контакт каждой из силовых мембран 3 и 4 с упругим элементом 6 осуществляют в области жесткого центра этих мембран. Упругий элемент закреплен внутри корпусного элемента 5, симметрично оси 7. При этом, зона закрепления не превышает 25% от общей длины окружности, образующей кольцевую форму упругого элемента. Такое закрепление позволяет сохранить упругие свойства упругого элемента 6 при перераспределении радиальных смещений оставшейся незакрепленной части поверхности так, чтобы радиальное смещение поверхности упругого элемента в направлении воздействия давления Р вызывало радиальное смещение поверхности упругого элемента в направлении воздействия давления Р и наоборот. Размеры упругого элемента 6, определяющие его упругие свойства, рассчитывают исходя из конструкции и физических свойств применяемых силовых мембран так, чтобы в требуемом диапазоне изменений измеряемой величины разности давлений, воздействие равных по величине давлений (т.е. отсутствие разности давлений в камерах 1 и 2), не вызывало перераспределения радиальных смещений упругого элемента и, таким образом, деформации его формы.
1
2
1
2
На упругом элементе 6 закреплено оптическое волокно 8 первой оптической линии с измерительной (G1) и термокомпенсационной (Gt) волоконными брэгговскими решетками и оптическое волокно 9 второй оптической линии с измерительной (G2) и термокомпенсационной (Gt) волоконными брэгговскими решетками так, что измерительные волоконные брэгговские решетки (G1 и G2) расположены внутри кольцевой области упругого элемента 6, а термокомпенсационные волоконные брэгговские решетки (Gt и Gt) расположены вне кольцевой области упругого элемента, за пределами зоны воздействия измеряемой разности давлений. Волоконные брэгговские решетки обеспечивают изменение спектра излучения, проходящего через оптическое волокно (излучатель и приемник излучения на фигурах не показаны). Оптические волокна внутри кольцевой области упругого элемента закрепляют с преднатяжением, параметры которого рассчитывают в зависимости от конструктивных особенностей и размеров элементов преобразователя, упругих свойств материалов, а также учитывая заданный в каждом конкретном случае диапазон изменений измеряемой величины разности давлений. Положение оптических волокон первой (8) и второй (9) оптической линии внутри кольцевой области упругого элемента 6 строго ориентировано относительно осей силовых мембран 3 и 4, а именно, продолжение осей силовых мембран, совпадают с осями оптических волокон. Оси силовых мембран взаимноперпендикулярны. Такое расположение оптических волокон обеспечивает осевую деформацию измерительных волоконных брэгговских решеток (G1 и G2) при воздействии измеряемой разности давлений.
В местах контакта с поверхностью упругого элемента оптическое волокно заключено в опорный элемент 11, представляющий собой специальный трубчатый ободок с закрепляющим адгезионным материалом, причем в областях контакта упругого элемента 6 с силовыми мембранами 3 и 4, опорный элемент 11 является оконечным элементом (оконцовывает оптическое волокно), а в местах, противоположных областям контакта упругого элемента 6 с силовым мембранам 3 и 4, опорный элемент 11 является отводящим элементом (пропускает оптическое волокно).
При отсутствии разности давлений, упругий элемент 6 не испытывает перераспределения деформаций формы вдоль осей силовых мембран, что обеспечено закреплением упругого элемента 6 внутри корпусного элемента 5, симметрично оси 7. Упругий элемент 6, при этом, имеет форму окружности.
Функция преобразования разности давления обеспечена тем, что измерительные волоконные брэгговские решетки расположены вдоль продолжения осей силовых мембран и, при возникновении разности давлений, испытывают осевую деформацию (растяжение-сжатие). Функция сжатия измерительной волоконной брэгговской решетки обеспечена ее преднатяжением при закреплении оптического волокна на упругом элементе (таким образом, сжатие волоконной брэгговской решетки, в данном случае, представляет собой возврат в ненатянутое состояние). Такая конструкция преобразователя разности давлений позволяет исключить необходимость закрепления измерительных брэгговских решеток на поверхности какого-либо элемента (упругой подложки, пластинки и т.п.), поскольку измерительные брэгговские решетки в соответствии с полезной моделью не подвергаются изгибающим деформациям. Используемый в местах соединения оптического волокна с опорным элементом 11 адгезионный закрепляющий материал не оказывает влияния на деформацию оптического волокна с измерительной брэгговской решеткой, поскольку параметры осевой деформации оптического волокна зависят только от радиальных смещений противоположных частей поверхности упругого элемента в направлениях, совпадающих с осями силовых мембран. Таким образом, исключено влияние адгезионного закрепляющего материала, применяемого при закреплениях оптического волокна, на точностные параметры преобразователя разности давлений.
Каждое из оптических волокон с измерительными брэгговскими решетками закреплено в двух точках, находящихся на противоположных сторонах упругого элемента, на диаметрах окружности. Осевая деформация оптического волокна при этом, равномерно распределена по всему его участку, заключенному внутри кольца упругого элемента (между точками закрепления). Таким образом, не требуется обеспечения точного положения измерительной брэгговской решетки в пределах этого участка и упрощается технология изготовления преобразователя.
1
2
1
2
Термокомпенсационные волоконные брэгговские решетки (Gt и Gt) обеспечивают измерение температуры за пределами зоны воздействия измеряемой разности давлений. Участки оптического волокна с термокомпенсационными волоконными брэгговскими решетками (Gt и Gt) могут быть расположены внутри кольцевой области упругого элемента, но закрепляться в этой области таким образом, чтобы деформации упругого элемента не приводили к деформациям этих участков оптического волокна (например, закрепление оптического волокна с гарантированным провисанием при всех возможных деформациях упругого элемента). Такое закрепление термокомпенсационных волоконных брэгговских решеток будет удовлетворять требованию к их размещению, за пределами зоны воздействия измеряемой разности давлений.
При воздействиях температуры на волоконную брэгговскую решетку происходит изменение спектральных свойств излучения, прошедшего через нее. Это изменение спектральных свойств вызвано изменением периода волоконной брэгговской решетки, вследствие температурного коэффициента расширения материала оптического волокна, и изменением показателя преломления светонесущей жилы оптического волокна, где расположена брэгговская решетка. Сигналы с термокомпенсационных решеток усредняются и учитываются в приемнике излучения в процессе обработки результатов измерений (температурная составляющая при проведении измерений впоследствии вычитается из сигналов, полученных от измерительных брэгговских решеток).
Первая оптическая линия 8 с измерительной и термокомпенсационной волоконными брэгговскими решетками и вторая оптическая линия 9 с измерительной и термокомпенсационной волоконными брэгговскими решетками соединены в общую оптическую линию, также представляющую собой оптическое волокно, посредством оптического соединителя 10. Каждая из волоконных брэгговских решеток, при этом, имеет индивидуальную рабочую длину волны.
Упругий элемент может быть изготовлен из стали, например, марки 36НХТЮ. Силовые мембраны, корпусной элемент и прочие несущие части конструкции преобразователя могут быть изготовлены из стали, например, марки 12Х18Н10Т. В качестве адгезионного материала для закрепления оптического волокна может применяться клей, например, марки К300 или припой, например, марки ПСр40 (припой используют в случае применения оптического волокна с металлизированным покрытием наружной оболочки).
Преобразователь разности давлений работает следующим образом.
1
2
В камеры 1 и 2 подают соответственно давления P и Р. Посредством силовых мембран 3 и 4, давление из камер 1 и 2 преобразуют в деформацию упругого элемента, на котором, внутри его кольцевой области, закреплены оптические волокна с измерительными волоконными брэгговскими решетками (G1 и G2). Деформация упругого элемента сопровождается осевой деформацией измерительных волоконных брэгговских решеток (G1 и G2). Изменения осевой деформации измерительных брэгговских решеток (G1 и G2) имеют обратную зависимость: если измерительная волоконная брэгговская решетка G1 испытывает деформацию-растяжение, то измерительная волоконная брэгговская решетка G2 испытывает деформацию-сжатия (фиг. 2) и наоборот (фиг. 3). Деформации каждой из измерительных волоконных брэгговских решеток сопровождаются изменением их периода и, таким образом, изменением спектральных свойств излучения, прошедшего через них.
Для учета температурного влияния на результаты измерений, используют, находящиеся за пределами зоны воздействия измеряемой разности давлений, термокомпенсационные волоконные брэгговские решетки первой и второй оптической линии.
Все сигналы с волоконных брэгговских решеток поступают в общую оптическую линию. Обработку суммарного оптического сигнала осуществляют в приемнике излучения.