ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения колебаний давления в жидких средах.
Известно устройство для измерения колебаний давления - манометр, принцип действия которого основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или мембраны http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2428.html. Недостаток известного устройства заключается в том, что он не позволяет измерять давление в объеме микроскопического масштаба.
Известны измерители колебаний давления, основанные на использовании миниатюрных датчиков давления, работающих на принципе пьезоэлектричества. Например, датчик давления 8507С-15 (Endevco Corporation, США) имеет диаметр чуть больше 2 мм. Однако пьезоэлектрическими датчиками давления затруднительно измерить давление в объеме существенно меньшего масштаба, чем диаметр датчика. Кроме того, пьезокерамика не выдерживает высоких температур и поэтому не может использоваться в установках с высокими эксплуатационными температурами.
Известен измеритель давления, основанный на использовании волоконного датчика, выбранный в качестве прототипа (FISO Technologies Inc., Канада, http://www.fiso.com). Измеритель состоит из источника излучения, соединенного с одним из вход-выходов оптического разветвителя Y-типа, другой вход-выход которого соединен с приемником излучения, а вход с измерительным волокном, помещенным в измеряемую среду. Измерительное волокно представляет собой оптическое волокно, снабженное измерительной головкой, помещаемой в измеряемую среду. Измерительная головка представляет собой насадку из оргстекла с полостью, покрытой диафрагмой из силиконовой резины. Насадка совместно с диафрагмой формируют известный интерферометр Фабри-Пьеро.
Известный измеритель работает следующим образом. Излучение от источника излучения через разветвитель Y-типа поступает на измерительное волокно. Излучение, прошедшее по измерительному волокну, частично отражается в обратном направлении от основания полости насадки, а частично - от диафрагмы. Амплитуда отраженного сигнала, распространяющегося по измерительному волокну в обратном от измерительной головки направлении, в известном устройстве зависит от разности фаз этих двух отраженных сигналов и определяется расстоянием от основания насадки до диафрагмы, которое зависит от прогиба диафрагмы. В результате по оптическому волокну в обратном направлении распространяется излучение, амплитуда которого чувствительна к прогибу диафрагмы, а значит к внешнему давлению. Известное устройство позволяет измерять колебания давления с амплитудой до 40 кПа при температуре измеряемой среды не превышающей 50°С и имеет диаметр насадки около 0.5 мм. Недостатком известного устройства, является низкая разрешающая способность, поскольку из-за конструктивных особенностей измерительного волокна известное устройство не позволяет достичь высокой разрешающей способности при измерении колебаний давлений, особенно, в объемах микронного масштаба.
Задача предлагаемой полезной модели состоит в повышении разрешающей способности измерителя колебаний давления и расширении его эксплуатационных возможностей за счет расширения температурных границ измерений.
Поставленная задача решается измерителем колебаний давления, состоящим из источника излучения, соединенного с одним из вход-выходов оптического разветвителя Y-типа, другой вход-выход которого соединен с приемником излучения, а вход с одним из вход-выходов второго оптического разветвителя Y-типа, другой вход-выход которого соединен со вторым источником излучения, а вход с измерительным волокном, свободный торец которого помещают в измеряемую среду.
На фиг.1 представлена блок схема заявляемого устройства, где 1 - первый источник излучения; 2 - первый оптический разветвитель Y-типа; 3 - приемник излучения; 4 - второй оптический разветвитель Y-типа; 5 - второй источник излучения; 6 - измерительное волокно.
Достижение заявленного технического результата, а именно, повышение разрешающей способности устройства и расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет расширения температурный границ происходит за счет того, что измерительная головка заявляемого устройства представляет собой интерферометр Фабри-Пьеро на парогазовом пузырьке, который образуется на свободном торце измерительного волокна, помещенного в измеряемую жидкость. Технически это достигается тем, что устройство дополнительно снабжено вторым источником излучения и вторым оптическим разветвителем Y-типа.
Измеритель колебаний давления работает следующим образом. Излучение от второго источника излучения (5) через второй оптический разветвитель Y-типа (4) и через волоконный датчик (6) поступает на его свободный торец, который помещен в измеряемую среду. В результате нагрева среды на свободном торце измерительного волокна (6) возникает парогазовый пузырек. Излучение от источника излучения (1) через оптический разветвитель Y-типа (2), оптический разветвитель Y-типа (4) и волоконный датчик (6) поступает на его свободный торец, на котором образован парогазовый пузырек и частично отражается в обратном направлении от свободного торца измерительного волокна, а частично проходит в парогазовый пузырек, отражается от границы пузырек-измеряемая жидкость и проходит в свободный торец измерительного волокна. В заявляемом устройстве известный интерферометр Фабри-Пьеро сформирован парогазовым пузырьком, находящимся на свободном торце измерительного волокна. Амплитуда сигнала, распространяющегося по измерительному волокну в обратном от ее свободного торца направлении, зависит от разности фаз этих двух отраженных сигналов, которая определяется диаметром парогазового пузырька, зависящим от давления в измеряемой жидкости, геометрических размеров оптического волокна, мощности и длины волны лазерного излучения. В результате по измерительному волокну в обратном направлении распространяется излучение, амплитуда которого чувствительна к давлению в измеряемой жидкости. Это излучение через оптический разветвитель Y-типа (4) и оптический разветвитель Y-типа (2) поступает на вход приемника излучения (3).
Высокочастотная граница измеряемого диапазона колебаний давления заявляемым устройством определяется резонансной частотой сформированного газового пузырька, связанной акустической зависимостью с размером пузырька.
В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве интерферометр Фабри-Пьеро сформирован не с применением насадки с полостью, покрытой диафрагмой, а с помощью образованного на свободном торце измерительного волокна парогазового пузырька. Разрешающая способность заявляемого измерителя колебаний давления определяется диаметром этого пузырька, который может иметь микронные размеры. Кроме того, отсутствие насадки с диафрагмой приводит к тому, что измеритель колебаний давления можно использовать в установках с высокими температурами, что расширяет эксплуатационные возможности заявляемого устройства.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемой полезной модели, а именно, источник излучения, оптические разветвители Y-типа, приемник излучения, второй источник излучения, измерительное волокно являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия, оптических характеристик исследуемой жидкости. Например, в случае, если измеряемой жидкостью является вода, в качестве источника излучения может быть использован гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,63 мкм и мощностью до 1 мВт, а в качестве второго источника излучения - лазер с длиной волны 1,56 мкм, которая хорошо поглощается в воде, и мощностью до 1 Вт. В качестве приемника излучения может использоваться любой стандартный фотоприемник, работающий в диапазоне длин волн 0,63 мкм, например на основе InGaAs. В качестве оптических волокон могут использоваться стандартные кварц-кварцевые волокна с диаметром внутренней жилы, например, 9 мкм.
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого измерителя колебаний давления. В качестве первого источника излучения использовали гелий-неоновый лазер с длиной волны 633 нм и мощностью до 0.8 мВт. Использовали кварц-кварцевые волокна с диаметром внутренней жилы 50 мкм. В качестве второго источника излучения применяли волоконный лазер ЛС-1,55 (ИРЭ-Полюс, Россия) с длиной волны излучения 1,56 мкм и мощностью излучения 0-5 Вт. В качестве приемника излучения использовали измеритель FIELDMASTER (COHERENT, США) с измерительной головкой LM-2 VIS, настроенный на длину волны гелий-неонового лазера. Свободный торец измерительного волокна помещали в кювету с морской водой. Уже при мощности излучения 0,3 Вт на свободном торце измерительного волокна возникал устойчивый парогазовый пузырек (фиг.2). При изменении давления в кювете размер пузырька изменялся (примерно как корень третьей степени из обратной величины давления), при этом изменялись разность фаз сигналов, отраженных от свободного торца измерительного волокна и границы пузырек-жидкость, и, соответственно, показания приемника излучения. Как показали проведенные авторами исследования, образованный на свободном торце измерительного волокна парогазовый пузырек при отключении второго источника излучения оставался стабильным в течение длительного времени (от нескольких десятков минут до нескольких часов). Это означает, что второй источник излучения можно использовать не постоянно, а эпизодически, в целях экономии энергии, например, в случае, если пузырек растворился.
Таким образом, за счет введения второго оптического разветвителя Y-типа, второго источника излучения и измерительного волокна, свободный торец которого помещен в измеряемую среду, устранена необходимость снабжения измерительного волокна заявляемого устройства измерительной головкой, что позволяет измерять колебания давлений с высокой разрешающей способностью