ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления, и может быть использована в различных измерительных системах для контроля давления.
Известен волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале резинового корпуса прямоугольного сечения, при этом участки ввода и вывода излучения оптического волокна пропущены через металлический рукав, а пропускной канал включает, по меньшей мере, один участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса, выполненный в виде паза с рифленой поверхностью в основании, причем оптическое волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластиной из термостойкой резины. Патент Российской Федерации №2420719, МПК: G01L 11/02, 2011 г.
Известно устройство для измерения давления, содержащее волоконно-оптический датчик, состоящий из корпуса, в котором размещена чувствительная мембрана, фотоприемник, приемный и осветительный канал в виде световодов и излучатель, при этом световоды соединены соответственно с фотоприемником и излучателем, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным датчиком, идентичным основному, при этом осветительный канал дополнительного датчика соединен с осветительным каналом основного датчика, обеспечивая нерегулярную разводку жгута световодов, а дополнительный датчик изолирован от давления среды и доступен для температурного воздействия среды. Патент Российской Федерации №2287792, МПК: G01L 11/02, 2006 г.
Известен волоконно-оптический кабель, включающий в себя датчики температуры, давления и деформации, выполненные на основе волоконно-оптических брэгговских решеток, а также средство передачи данных от датчиков к промежуточным концентраторам информации. Патент Российской Федерации на полезную модель №104904, МПК: В61К 9/08; В61L 1/00,2012 г.
Волоконно-оптические брэгговские решетки один из перспективных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков различных физических величин (температуры, механических напряжений, давления). Основным элементом такого датчика является внутриволоконная брэгговская решетка.
Известен датчик давлений, содержащий корпус, силовую мембрану, элемент передачи силы, закрепленный в средней части силовой мембраны, измерительную мембрану, плоскость которой расположена под углом к плоскости силовой мембраны и смещена относительно центральной части силовой мембраны, причем средняя часть измерительной мембраны соединена с элементом передачи силы, емкостный преобразователь с подвижными и неподвижными электродами, причем подвижные электроды расположены по разные стороны от оси, проходящей через среднюю часть измерительной мембраны и параллельно плоскости силовой мембраны, связаны с поверхностью измерительной мембраны. Патент Российской Федерации №2126533, МПК G01L 9/12, 1999 г.
По совокупности конструктивных признаков данный датчик давлений принят за прототип.
Недостатком прототипа является пониженная точность измерений из-за чувствительности к электромагнитным помехам.
Полезная модель устраняет указанный недостаток.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности и скорости измерения, повышение надежности датчика.
Технический результат достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, силовую мембрану, размещенную в корпусе, элемент передачи деформации, закрепленный в средней части силовой мембраны, измерительную мембрану, плоскость которой расположена под углом к плоскости силовой мембраны и смещена относительно центральной части силовой мембраны, причем средняя часть измерительной мембраны соединена с элементом передачи деформации, и преобразователь с чувствительным элементом, преобразователь выполнен в виде оптического волокна, закрепленного на поверхности измерительной мембраны, а чувствительный элемент выполнен в виде, по крайней мере, одной волоконной брэгговской решетки закрепленной в одной из чувствительных зон, расположенных по разные стороны от оси деформации, проходящей вдоль плоскости измерительной мембраны, через среднюю ее часть и параллельно плоскости силовой мембраны. В зоне измерительной мембраны, не восприимчивой к деформации, расположена, по крайней мере, одна термокомпенсационная волоконная брэгговская решетка.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-3.
1
2
На фиг.1 показан общий вид датчика давления, где: 1 - корпус, 2 - силовая мембрана, 3 - элемент передачи деформации, 4 - измерительная мембрана, 5 - опорное основание, 6 - камера для приема большего измеряемого давления P, 7 - камера для приема меньшего давления Р, 8 - ось деформации, 9 - оптическое волокно, 10 - опорная поверхность.
На фиг.2 показаны места максимальной деформации в виде овальных зон, где: 4 - поверхность измерительной мембраны; 8 - ось деформации; 9 - оптическое волокно; 11 - чувствительные зоны.
На фиг.3 схематично показаны зоны 12 измерительной мембраны 4, не восприимчивые к измеряемой деформации, определяющие место расположения термокомпенсационной волоконной брэгговской решетки. Термокомпенсационная волоконная брэгговская решетка может располагаться и в другом месте датчика, и служит для измерения температуры.
Датчик давления содержит корпус 1, силовую гофрированную мембрану 2, элемент передачи деформации 3, измерительную мембрану 4, выполненную за одно целое с опорным основанием 5, волоконно-оптический преобразователь с чувствительным элементом, выполненный в виде оптического волокна 9, закрепленного на поверхности измерительной мембраны 4, с чувствительным элементом в виде волоконной брэгговской решетки расположенной в зоне деформации измерительной мембраны 4.
1
2
Силовая мембрана 2 закреплена периферийной частью в корпусе 1 и разделяет полость корпуса 1 на две камеры. Камера 6 предназначена для приема большего измеряемого давления P а камера 7 - для приема меньшего давления Р.
При измерении избыточного давления и давления-разрежения давление подают в камеру 6, а камера 7 сообщается с атмосферой. На боковых стенках корпуса 1 выполнены отверстия.
Плоскость измерительной мембраны 4 расположена под углом к плоскости силовой мембраны 2 и смещена относительно центральной части силовой гофрированной мембраны 2 на расстояние L.
Наружная и внутренняя стороны измерительной мембраны 4 соприкасаются с атмосферой или защищены от внешней среды и находятся в вакууме (для датчика абсолютного давления).
Элемент передачи деформации 3 выполнен изогнутым с жесткой и гибкой частями. (На фиг.1 эти части выделены с разной толщиной). Свободный конец жесткой части элемента передачи деформации 3 закреплен в центральной части измерительной мембраны 4 с внутренней ее стороны, а свободный конец гибкой части элемента передачи деформации 3 закреплен в центральной части силовой гофрированной мембраны 2.
Волоконные брэгговские решетки расположены непосредственно на наружной стороне измерительной мембраны 4, которая имеет две овальные чувствительные зоны 11, расположенные по разные стороны от оси деформации 8, проходящей вдоль плоскости измерительной мембраны 4, через среднюю ее часть и параллельно плоскости силовой мембраны 2.
Волоконные брэгговские решетки, воспринимающие деформации измерительной мембраны 4, пропорциональные измеряемым давлениям, размещены в местах максимальной деформации поверхности этой измерительной мембраны 4.
На фиг.2 места максимальной деформации схематично показаны в виде овальных чувствительных зон 11. Возможен вариант, при котором на измерительной мембране 4 расположено несколько волоконных брэгговских решеток.
Датчик давления работает следующим образом.
2
1
2
Давление атмосферы (для датчика избыточного давления) обозначено в виде Р. Под действием давления Р значительно превышающего величину давления Р, на силовую гофрированную мембрану 2 действует распределенная сила, суммарный вектор которой направлен перпендикулярно плоскости силовой гофрированной мембраны 2 в сторону камеры 7.
Сила, воздействующая на элемент передачи деформации 3 со стороны силовой гофрированной мембраны 2, вызывает вблизи точки соединения измерительной мембраны 4 и элемента передачи деформации 3 некоторый изгибающий момент.
Деформация измерительной мембраны 4 выражается в виде смещения частей измерительной мембраны 4, расположенных по одну сторону от оси деформации 8, с векторами перемещения в направлении наружной стороны и смещения частей измерительной мембраны 4, расположенных по другую сторону от оси 8, с векторами перемещения в направлении внутренней стороны измерительной мембраны 4.
Деформация измерительной мембраны 4 вызывает изменение геометрических размеров оптического волокна 9, закрепленного на наружной поверхности измерительной мембраны 4, изготовленной, например, из сплава ВТ9.
Волоконные брэгговские решетки в оптическом волокне 9, расположенные в чувствительных зонах 11 (местах наибольшей деформации измерительной мембраны 4), симметричные относительно оси 8 (фиг.2) подвергаются растяжению и сжатию.
Точное положение волоконных брэгговских решеток на поверхности измерительной мембраны 4 определяют расчетным путем.
Таким образом, если волоконная брэгговская решетка первой чувствительной части мембраны 4 подвергается растяжению, то, одновременно с этим, волоконная брэгговская решетка второй чувствительной части мембраны 4 всегда сжимается.
Допускается использование лишь одной измерительной волоконной брэгговской решетки (работающей только на растяжение, либо только на сжатие).
1
Использование двух (и более) измерительных волоконных брэгговских решеток позволяет повысить достоверность и точность результатов измерения давления Р а также, в значительной степени исключить необходимость учета температурных влияний на результаты измерений.
Деформация (растяжение или сжатие) волоконной брэгговской решетки приводит к изменению ее периода и, следовательно, к изменению спектральных свойств излучения проходящего или отраженного от нее.
Далее, сигнал передают по оптическому волокну 9 в аппаратуру спектрального анализа для последующей обработки (на фигурах аппаратура спектрального анализа не показана).
1
Силовая гофрированная мембрана 2 датчика выдерживает без разрушения кратковременное воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением Р Это обеспечено наличием опорной поверхности 10. При перегрузке мембрана 2 ложится на опорную поверхность 10.
Для учета погрешности измерения, вносимой посредством температурного расширения оптического волокна 9 и материала измерительной мембраны 4, помимо одновременного анализа величины растяжения и сжатия волоконных решеток Брэгга, измерительный канал датчика дополнительно содержит хотя бы одну термокомпенсационную волоконную брэгговскую решетку. Она используется также и для измерения температурных параметров работы датчика.
Термокомпенсационная волоконная брэгговская решетка сформирована на том же оптическом волокне 9, что и основная, измерительная волоконная брэгговская решетка (решетки) и аналогична ей (им).
Термокомпенсационная волоконная брэгговская решетка имеет иную рабочую длину волны, отличную от рабочей длины волны измерительной брэгговской решетки (рабочих длин волн измерительных решеток) и может быть расположена в зоне измерительной мембраны 4, не восприимчивой к измеряемой деформации (фиг.3, поз.12).
Зоны 12 расположения термокомпенсационной волоконной брэгговской решетки показаны схематично. Учет температурных воздействий осуществляют путем обработки и программного анализа спектра сигнала, поступающего в аппаратуру обработки.
Датчик может содержать несколько измерительных каналов, с измерительными и термокомпенсационными волоконными брэгговскими решетками, сформированными на нескольких оптических волокнах 9.
Оптическое волокно 9 на измерительной мембране 4 закреплено с обеспечением всесторонней фиксации наружной оболочки оптического волокна 9. Один из возможных вариантов закрепления - «заливка» оптического волокна 9 посредством стеклоприпоя (стеклоцемента). Оптическое волокно 9 с металлизированным покрытием может быть закреплено на поверхности измерительной мембраны 4 и посредством пайки, например, припоем ПСр40.