ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТОРЦЕВОЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ)
FIBRE-OPTIC END TRANSDUCER (VERSIONS)

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления (как статического, так и динамического) газов и жидкостей.
Известен емкостный датчик давления (патент РФ №2441207, МПК G01L 9/00, 2006). Датчик давления включает корпус и упругую измерительную мембрану. Корпус и/или измерительная мембрана выполнены из керамики, стекла или монокристаллического материала. Измерительная мембрана имеет, по меньшей мере, один первый электрод, который обращен к поверхности основного корпуса. Поверхность основного корпуса имеет, по меньшей мере, один второй электрод, который обращен к измерительной мембране. Емкость между первым и вторым электродами является мерой давления, подлежащего измерению. Один из первого и второго электродов имеет проводящий ток слой, который содержит металл и стекло. Недостатком емкостного датчика давления является чувствительность к электромагнитным помехам и наличие токопроводящих элементов, в результате чего невозможно проводить измерения в области действия высокого напряжения. Также недостатком являются массогабаритные размеры, не позволяющие проводить локальные измерения. Удаленность размещения датчика от регистратора напрямую влияет на точность измерения.
Известен волоконно-оптический датчик давления (патент РФ №2420719, МПК G01L 11/02, 2006). Волоконно-оптический датчик давления, выполнен на основе оптического волокна, содержит участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения. Участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав. Пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины. На концах участков ввода и вывода излучения оптического волокна установлены оптические разъемы. Недостатком волоконно-оптического датчика давления является прямая зависимость точности измерений от внешних воздействий на соединительный волоконно-оптический кабель, а именно от изгибных потерь. Также недостатком является сложная технология сборки и малая вероятность воспроизведения характеристик при серийном производстве.
С помощью заявленного изобретения решается техническая задача обеспечения малых массогабаритных параметров, повышения точности измерения, уменьшения влияния внешних воздействий на точность измерения, упрощения конструкции датчика, механического упрочнения датчика при надежной гальванической развязке и возможности использования подводящей линии длиной до 30 км.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый волоконно-оптический датчик торцевого давления (далее - ВОДД) состоит из записанной на оптическом световоде по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), мембраны, корпуса, при этом мембрана жестко прикреплена к световоду и имеет возможность движения по осевой линии относительно корпуса, оптический световод жестко прикреплен к торцу корпуса по его осевой линии.
В частности, световод может быть покрыт полимером.
В частности, световод может быть покрыт полиимидом.
В частности, световод может быть покрыт металлом.
В частности, световод может быть соединен с мембраной посредством пайки.
В частности, световод может быть соединен с мембраной посредством сварки.
В частности, световод может быть соединен с мембраной посредством клея.
В частности, мембрана может быть прикреплена к корпусу.
В частности, в качестве мембраны может быть использована металлическая пластина.
В частности, в качестве мембраны может быть использована пластиковая пластина.
В частности, соединение световода с корпусом может быть выполнено посредством клея.
В частности, световод может быть соединен с корпусом таким образом, что ВБР располагается между корпусом и мембраной.
В частности, на световоде могут быть последовательно записаны две ВБР, одна из которых выполняет функцию термокомпенсации (ВБР термокомпенсации).
В частности, ВБР термокомпенсации может быть расположена вне зоны крепления световода к корпусу и к мембране.
В частности, корпус, к торцу которого прикреплен световод, может иметь одно или несколько отверстий.
Также, поставленная задача решается тем, что предлагаемый ВОДД состоит из мембраны, корпуса, записанной на оптическом волокне по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), базового элемента крепления, элемента приложения торцевой нагрузки, направляющей, при этом базовый элемент крепления и элемент приложения торцевой нагрузки соединены с оптическим волокном таким образом, что место соединения не касается ВБР, а направляющая соединена с базовым элементом крепления и корпусом, мембрана закреплена в корпусе, а элемент приложеня торцевой нагрузки касается мембраны по осевой линии.
В частности, на световоде могут быть последовательно записаны две ВБР, одна из которых выполняет функцию термокомпенсации (ВБР термокомпенсации).
В частности, ВБР термокомпенсации может быть расположена вплотную к торцу оптического волокна.
В частности, элемент приложения торцевой нагрузки может быть выполнен с впрессованным с одного торца шариком.
В частности, ВБР термокомпенсации может быть расположена вне зоны соединения оптического волокна с элементом приложения торцевой нагрузки.
В частности, направляющая может быть соединена с корпусом посредством цангового соединения.
В частности, направляющая может быть соединена с корпусом посредством сварки.
В частности, направляющая может быть соединена с корпусом посредством дополнительного крепежного элемента.
Заявляемые изобретения, представляющие собой варианты устройства связаны единым изобретательским замыслом.
Заявляемые изобретения поясняются чертежами, где на Фиг.1 приведена схема ВОДД в котором место соединения оптического световода и мембраны не является торцом световода, на Фиг.2 приведена схема ВОДД, в котором мембрана соединена с элементом приложения торцевой нагрузки.
ВОДД (фиг.1) состоит из последовательно записанных на световоде b1 двух ВБР, одна из которых может выполнять функцию термокомпенсации (ВБР термокомпенсации) b3, а другая ВБР b2 воспринимать нагрузку деформации мембраны b10, при этом мембрана жестко прикреплена к световоду b1. Места соединения световода с корпусом b7 и мембраной b10 обозначены цифрами b6 и b5 соответственно. При увеличении внешнего давления на торец датчика Ь4 давление посредством отверстий b8 передается на мембрану b10, в следствие чего, участок световода с ВБР b2 растягиватся, при этом резонансная длина волны ВБР b2 изменяется пропорционально изменению нагрузки на ВБР b2. Так как резонансная длина волны ВБР b2 также изменяется пропорционально изменению температуры окружающей среды, необходимо учесть этот фактор, применив ВБР термокомпенсации b3, которая находится в свободном от изменения нагрузки состоянии благодаря жесткому соединению b5, и имеет чувствительность резонансной длины волны только к изменению температуры.
ВОДД (фиг.2) состоит из записанной на одном световоде c1 ВБР c2, чувствительной к деформации, и ВБР термокомпенсации c3, базового элемента крепления c4, элемента приложения торцевой нагрузки c5, направляющей c6, корпуса c9, мембраны c10, при этом базовый элемент крепления c4 и элемент приложения торцевой нагрузки c5 соединены с оптическим волокном так c7, что место соединения не соприкасается с ВБР c2 и ВБР термокомпенсации c3, при этом ВБР термокомпенсации c3 находится в свободном состоянии при работе ВОДД, направляющая c6 соединена c8 с базовым элементом крепления c4 и корпусом c9, элемент приложения торцевой нагрузки c5 воспринимает торцевую нагрузку деформации мембраны c10, вызванной измеряемым давлением, через шарик c11, таким образом, что нагрузка передается на ВБР c2, при этом ее резонансная длина волны изменяется пропорционально изменению нагрузки и температуры окружающей среды. Для изолирования влияния температуры окружающей среды на резонансную длину волны ВБР c2 применяется ВБР термокомпенсации c3, находящаяся в изоляции от внешних механических воздействий, чувствительность резонансной длины волны которой распространяется только на изменение температуры.
Технический результат, получаемый в предлагаемых изобретениях ВОДД, достигается тем, что измерение давления осуществляется методом регистрации спектрального сдвига решетки Брэгга, напрямую зависящего от осевой нагрузки на торец оптического волокна. Метод измерения является прямым - регистрируемый спектральный сдвиг решетки Брэгга напрямую зависит от осевой нагрузки на световод, метод является простым в исполнении - процесс записи ВБР в волоконном световоде технологичен и может быть легко автоматизирован. Заявляемый датчик обладает высокой надежностью - полностью волоконное исполнение сенсорного элемента и использование трубок и крепежей необходимых размеров позволяет избежать не осевой нагрузки на ВБР, что позволяет сохранить его механическую прочность, при возможности изготовления датчика с подводящей линией длиной до 30 километров, также результат достигается тем, что в реализуемом методе достигается практически полное отсутствие внешних воздействий на точность измерения, благодаря спектральному методу измерения, в отличие от широко распространенных амплитудных методов.