ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ
PRESSURE DIFFERENCE CONVERTER

Изобретение относится к средствам измерения давления газообразных сред, а именно к устройствам для измерения разности давлений с помощью упругодеформируемых элементов в качестве чувствительных элементов с использованием оптических средств.
Известны волоконно-оптические преобразователи разности давлений, в которых в качестве средства преобразования механического перемещения мембраны в измерительный сигнал использован интерферометр Фабри-Перо (патент США №7054011, МПК G01B 9/02, 2006 г.; заявка США №2012/116255, МПК G01B 9/02, 2012 г.). Указанные преобразователи содержат одну измерительную мембрану и одну полость, которая соединена с окружающей атмосферой или вакуумирована с целью измерения соответственно избыточного или абсолютного давления.
Недостатком известных волоконно-оптических преобразователей давления является то, что они не имеют возможности измерять дифференциальное давление (разность давлений).
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбран преобразователь разности давлений по патенту РФ №2087884, МПК G01L 13/02, 1997 г. Указанный преобразователь содержит основание, в котором выполнена герметичная полость с разделительной жидкостью и установлен тензомодуль с тензорезисторами и рычагом, связанным через тягу с жестким центром измерительной гофрированной мембраны, закрепленной по контуру между опорными элементами - основанием и фланцем, с образованием между мембраной и опорными элементами первой и второй полостей, сообщающихся с источниками давления, гермопроходник и электронный преобразователь, мягкий упругий разделитель сред, герметично установленный в основании, при этом герметичная полость с разделительной жидкостью образована наружной поверхностью тензомодуля с тензорезисторами, поверхностью гермопроходника, закрепленного в основании, и внутренней поверхностью разделителя сред. Тензомодуль, рычажная система, гермопроходник и разделитель сред образуют средства преобразования механического перемещения мембраны в измерительный сигнал.
Недостатком известного преобразователя является сложность конструкции, обусловленная большим количеством элементов для преобразования механического перемещения мембраны в измерительный сигнал - тензомодуля, рычажной системы, гермопроходника, разделителя сред, что, в свою очередь, снижает надежность преобразователя и точность измерения давления за счет появления дополнительных погрешностей от изменения температуры и статического давления рабочей среды, от воздействия вибрации, ударов и т.п. Кроме того, известный преобразователь имеет большие размеры и неудобен в эксплуатации.
Технический результат, достигаемый изобретением, - повышение надежности преобразователя и точности измерения давления.
Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователе разности давлений, содержащем измерительную мембрану, расположенную между двумя опорными элементами с образованием между мембраной и опорными элементами первой и второй полостей, сообщающихся с источниками давления, средства преобразования механического перемещения мембраны в измерительный сигнал и связанный с ними электронный преобразователь, упомянутые средства преобразования механического перемещения мембраны в измерительный сигнал выполнены в виде двух волоконных световодов, расположенных с противоположных сторон мембраны с зазором относительно нее, а электронный преобразователь содержит источник и приемники оптического излучения, связанные с волоконными световодами, при этом электронный преобразователь выполнен с возможностью обработки дифференциального оптического сигнала с выходов волоконных световодов.
Указанный технический результат достигается также тем, что электронный преобразователь выполнен с возможностью обработки дифференциального оптического сигнала, соответствующего разности интенсивностей оптического излучения, отраженного от противоположных сторон измерительной мембраны.
Указанный технический результат достигается также тем, что волоконные световоды выполнены с образованием между торцами световодов и измерительной мембраной интерферометров Фабри-Перо, а электронный преобразователь выполнен с возможностью обработки интерферометрических сигналов с противоположных сторон измерительной мембраны.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показан измерительный блок преобразователя разности давлений, на фиг.2, 3 схематически изображен заявляемый преобразователь с двумя исполнениями электронного преобразователя.
1
2
1
2
Заявляемый преобразователь разности давлений содержит измерительный блок и электронный преобразователь. Измерительный блок (фиг.1) включает опорные элементы 1 и 2, между которыми с зазором установлена плоская измерительная мембрана 3. В опорных элементах 1 и 2 выполнены соответственно каналы 4 и 5 для подачи измеряемой газообразной среды с давлениями P и P, в результате чего полость, образованная внутренней поверхностью опорного элемента 1 и мембраной 3, сообщается со средой с давлением P, а полость, образованная внутренней поверхностью опорного элемента 2 и мембраной 3, сообщается со средой с давлением P.
Профили внутренних поверхностей опорных элементов 1 и 2, обращенных к мембране 3, идентичны профилю мембраны 3, прогибающейся под действием давления газообразной среды. Такое конструктивное решение защищает мембрану от разрушения при перегрузках большим статическим давлением либо с одной, либо с другой стороны мембраны.
В опорных элементах 1 и 2 герметично выполнены узлы 6 и 7, с помощью которых к противоположным сторонам мембраны 3 подведены волоконные световоды 8 и 9, являющиеся бесконтактными оптическими средствами преобразования механического перемещения мембраны в результате воздействия на нее разности давлений в измерительный сигнал. Торцы световодов 8 и 9 расположены с зазором L относительно поверхности мембраны 3 и отполированы.
Волоконные световоды 8 и 9 могут быть расположены симметрично относительно мембраны 3.
Все элементы измерительного блока преобразователя (за исключением волоконных световодов) изготовлены из одного материала с целью повышения термической стабильности.
Электронный преобразователь 10 содержит источник оптического излучения 11 и приемники оптического излучения 12 и 13. Волоконные световоды 8 и 9 связаны с источником 11 и приемниками 12 и 13 с помощью разветвителей 14 и 15.
Электронный преобразователь 10 выполнен с возможностью обработки дифференциального оптического сигнала с выходов волоконных световодов.
Электронный преобразователь 10 может быть выполнен с возможностью обработки дифференциального оптического сигнала, соответствующего разности интенсивностей оптического излучения, отраженного от противоположных сторон измерительной мембраны (фиг.2). В этом случае приемники оптического излучения 12 и 13 выполнены в виде фотоприемников, а преобразователь 10 содержит также суммирующий усилитель 16, дифференциальный усилитель 17, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 18 и микропроцессор 19. Входы усилителей 16 и 17 соединены с выходами фотоприемников 12 и 13, а выходы усилителей 16 и 17 подключены к входу АЦП 18, выход которого соединен с входом микропроцессора 19.
Волоконные световоды 8 и 9 могут быть выполнены с образованием между торцами световодов и измерительной мембраной 3 интерферометров Фабри-Перо, базой которых является расстояние L между торцами световодов 8 и 9 и поверхностью измерительной мембраны 3.
В этом случае приемники оптического излучения 12 и 13 содержат дифракционные решетки и линейки фотоприемников, связанные с помощью разветвителей 14 и 15 с выходами волоконных световодов 8 и 9, а электронный преобразователь 10 содержит АЦП 18 и микропроцессор 19 (фиг.3). Приемники 12 и 13 формируют интерферометрические сигналы, которые поступают на вход АЦП 18, выход которого соединен с входом микропроцессора 19.
Все функциональные элементы электронного преобразователя могут быть конструктивно реализованы в одном блоке, который располагается на значительном расстоянии от измерительного блока, например 100 м или 1000 м.
1
2
2
1
Предлагаемый преобразователь разности давлений работает следующим образом. Среда с контролируемым давлением P по каналу 4 подается в полость между опорным элементом 1 и мембраной 3, а среда с контролируемым давлением P по каналу 5 подается в полость между опорным элементом 2 и мембраной 3. Результирующая сила, возникающая вследствие разности давлений (P-P), перемещает измерительную мембрану 3 в направлении меньшего давления. Оптическое излучение, распространяющееся по волоконным световодам 8 и 9, регистрирует изменение расстояния между поверхностью центральной части мембраны 3 и волоконными световодами 8 и 9, оптический сигнал преобразуется в приемниках оптического излучения 12 и 13 в электрический сигнал и электронный преобразователь 10 вырабатывает сигнал, пропорциональный измеренной разности давлений.
Электронный преобразователь 10 может быть выполнен с возможностью обработки дифференциального оптического сигнала, соответствующего разности интенсивностей оптического излучения, отраженного от противоположных сторон измерительной мембраны 3. В этом случае оптическое излучение, генерируемое источником излучения 11, через разветвители 14 и 15 поступает в световоды 8 и 9, отражается от поверхности мембраны 3 и отраженный оптический сигнал по световодам 8 и 9, через разветвители 14 и 15 поступает к фотоприемникам 12 и 13. Интенсивность отраженных от мембраны 3 оптических сигналов зависит от расстояния L между торцами световодов 8 и 9 и мембраной 3, при этом чем меньше расстояние L, тем больше интенсивность величины отраженного сигнала.
1
2
С выхода фотоприемников 12 и 13 оптические сигналы поступают на входы суммирующего 17 и дифференциального 18 усилителей, на выходе которых соответственно формируется сигнал коррекции синфазной помехи и сигнал, пропорциональный измеренной разности давлений P и P. В АЦП 19 аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и с выхода АЦП 18 электрический сигнал поступает в микропроцессор 19, который по заданному алгоритму обрабатывает полученные сигналы и формирует нормированный выходной сигнал, пропорциональный разности давлений.
В том случае, когда волоконные световоды 8 и 9 выполнены с образованием между торцами световодов и измерительной мембраной 3 интерферометров Фабри-Перо, базой которых является расстояние L между торцами световодов и поверхностью измерительной мембраны 3, оптическое излучение, генерируемое источником излучения 11, через разветвители 14 и 15 поступает в световоды 8 и 9, отражается от поверхности мембраны 3 и отраженный оптический сигнал по световодам 8 и 9, через разветвители 14 и 15 поступает к приемникам оптического излучения 12 и 13. Приемники 12 и 13, содержащие дифракционную решетку и линейку фотоприемников, формируют интерферометрические сигналы.
В АЦП 18 аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и с выхода АЦП 18 электрический сигнал поступает в микропроцессор 19, который по заданному алгоритму обрабатывает полученные сигналы и формирует нормированный выходной сигнал, пропорциональный разности давлений.
Предлагаемый преобразователь разности давлений за счет выполнения средств преобразования механического перемещения мембраны в измерительный сигнал в виде бесконтактных оптических средств - двух волоконных световодов, расположенных симметрично с противоположных сторон измерительной мембраны, и реализации электронного преобразователя с возможностью обработки дифференциального оптического сигнала, позволяет - по сравнению с ближайшим аналогом - упростить конструкцию, повысить надежность и точность измерения разности давлений.