ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована для определения положения (в частности «открыто», «закрыто», «промежуточное положение») различных механизмов, например клапанов, задвижек, выдвижных устройств, дверей и т.д. Волоконно-оптическое устройство определения положения может быть встроено в конструкцию запорных устройств. Кроме того, заявленное устройство может безопасно использоваться во взрыво- и пожароопасных объектах, в частности в топливных системах, в нефтегазовой промышленности (объекты добычи, переработки и транспортировки углеводородов).
Известен датчик положения клапана по патенту US 5691813 (опубл. 25.11.1997), используемый для подачи топлива в системе впрыска дизельного топлива. В рассматриваемом датчике контроль подачи топлива происходит за счет определения угла отражения луча света непосредственно от поверхности седла клапана. В датчике может быть обеспечен контроль целостности линии. Недостатками данной конструкции датчика положения являются узкая сфера применения (определение положения седла клапана) и сложность его изготовления. Общими признаками датчика положения клапана с заявленным устройством являются наличие источника (источник оптического излучения), рефлексивной области (узел отражения) и датчика (приемник оптического излучения).
Известен датчик положения гидравлического клапана по патенту GB 2159942 (опубл. 11.12.1985) Стержень клапана имеет отверстие. По прохождению света через отверстие по оптической траектории между двумя концами оптоволоконного кабеля или отсутствии сигнала на приемнике определяют открытую или закрытую позиции клапана. Конструкция датчика может содержать оптические фильтры (7-9 пункты формулы). В этом случае часть света не пропускается фильтром, а контроль целостности линии связи осуществляется по наличию или отсутствию входного сигнала приемника. Недостатком данной конструкции датчика является низкая надежность из-за плоских фильтров, которые обычно изготавливают из хрупких и тонких материалов. Общими признаками с заявленной конструкцией устройства являются наличие передатчика (источник оптического излучения), оптоволоконного кабеля (волоконно-оптический кабель), приемника (приемник оптического излучения), стержня (шток).
Известен самоконтролирущийся оптический датчик по патенту US 4947036 (опубл. 7.08.1990) (фиг. 7), в котором на подпружиненном поршне расположены два светофильтра - зеленый и красный. От двойного цветного источника на отражающую поверхность-цветной фильтр подается два луча света зеленый и красный. После прохождения лучей через фильтр на оптический приемник попадается отфильтрованный сигнал. По факту снижения компоненты одного или другого цвета определяется через какой фильтр прошел сигнал и, соответственно, в каком положении находился поршень. Контроль целостности волоконно-оптической линии связи производиться за счет того, что на оптическом приемнике постоянно должен присутствовать сигнал хотя бы с одной из цветных компонент. Отсутствие сигнала будет означать разрыв линии.
Данное техническое решение по своему назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Основными недостатками прототипа являются:
- низкая надежность и высокая сложность изготовления из-за использования источников оптического излучения двух цветов;
- сложность изготовления из-за высоких требования по соответствию спектральных характеристик фильтра и источника оптического излучения;
- высокая вероятность ложного срабатывания из-за изменения уровня сигналов, вызванных невозможностью сохранения цветными фильтрами-отражателями стабильных характеристик коэффициента отражения, а также изменениями спектральных характеристик источников.
Общими признаками заявленного волоконно-оптического устройства определения положения с признаками прототипа являются наличие оптоволокна (волоконно-оптическая линия связи), поршня (шток), индикатора (приемник оптического излучения).
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении надежности, упрощении изготовления, снижении вероятности ложного срабатывания при обеспечении возможности контроля целостности линии, а также в обеспечении возможности определения ряда положений.
Технический результат достигается за счет того, что волоконно-оптическое устройство определения положения содержит источник оптического излучения, двухстороннюю волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС), по меньшей мере одно кольцо с металлической поверхностью, установленное на штоке, приемник оптического излучения, шток и кольцо имеют различные коэффициенты отражения оптического излучения, причем шток и ВОЛС расположены таким образом, что при попадании пучка света из ВОЛС на шток с по крайней мере одним установленным на нем кольцом, часть отраженного пучка попадает в обратную линию ВОЛС. При этом повышается надежность и упрощается изготовление за счет использования одного источника излучения. Не требуется соответствие спектральных характеристик колец с металлической поверхностью и источника оптического излучения, что также упрощает изготовление и снижает вероятность ложного срабатывания, т.к. срабатывание не зависит от спектральных характеристик источника и колец с металлической поверхностью. Кольца с металлической поверхностью обеспечивают механическую прочность и стабильность оптических характеристик. Кроме того, металлические поверхности долгое время сохраняют стабильные спектральные характеристики в широком частотном диапазоне. При этом обеспечена возможность контроля целостности линии по постоянно поступающему отраженному оптическому сигналу от кольца или штока. Факт нарушения в линии оптической связи может быть определен при снижении уровня сигнала до несоответствующего тому, что должен присутствовать в случае нормального снижения уровня при прохождении оптоволоконной линии связи и отражении от кольца с металлической поверхностью или штока.
Волоконно-оптическое устройство определения положения может содержать два и более кольца, имеющих металлические поверхности с различными между собой коэффициентами отражения оптического излучения. За счет этого может быть определен ряд положений, при этом не произойдет значительного усложнения изготовления, т.к. не потребуется дополнительных источников оптического излучения различных цветов как в прототипе.
Волоконно-оптическое устройство определения положения может содержать два кольца, выполненных из различных металлов либо их сплавов. Такое устройство представляет самый простой вариант изготовления, обеспечивающий высокую надежность, в том числе за счет механической прочности штока с кольцами.
Волоконно-оптическое устройство определения положения может содержать два кольца, имеющих металлические поверхности в виде различных металлических покрытий. При этом также обеспечивается простота изготовления за счет использования кольца, изготовленного из дешевого металла или пластика и нанесенного на него металлического покрытия, которое может иметь повышенные свойства надежности и улучшенные оптические свойства, что дополнительно повышает надежность устройства в целом.
Волоконно-оптическое устройство определения положения может содержать два кольца, причем одно кольцо выполнено из хрома либо имеет хромовое покрытие, а второе из никеля либо имеет никелевое покрытие.
Волоконно-оптическое устройство определения положения может содержать два кольца, причем одно кольцо выполнено из хрома либо имеет хромовое покрытие, а второе выполнено из алюминия либо имеет алюминиевое покрытие. Никель, хром и алюминий имеют сохраняющиеся в течение длительного времени характеристики по отражению оптического излучения, что дополнительно повышает надежность.
Кроме того, волоконно-оптическое устройство определения положения может содержать датчик источника оптического излучения, установленный непосредственно у источника оптического излучения, узел контроля, связанный первым входом с датчиком источника оптического излучения, а вторым входом с оптическим приемником. Датчик источника оптического излучения может быть выполнен в виде оптического разделителя, что упрощает изготовление и повышает надежность устройства. Узел контроля волоконно-оптического устройства определения положения может включать вычитатель, по меньшей мере два пороговых устройства, выход вычитателя соединен с входами пороговых устройств, а входы вычитателя являются входами прибора контроля. При использовании датчика источника излучения реализуется контроль разрыва линии не только по факту снижения уровня отражения ниже критического, но и по факту состояния источника оптического излучения.
Волоконно-оптическое устройство определения положения может содержать два кольца, причем одно кольцо может иметь имеет хромовое покрытие, а второе - никелевое покрытие, датчик источника оптического излучения, установленный непосредственно у источника оптического излучения, узел контроля, связанный первым входом с датчиком источника оптического излучения, а вторым входом с оптическим приемником, причем датчик источника оптического излучения выполнен в виде оптического разделителя, а узел контроля включает вычитатель, два пороговых устройства, выход вычитателя соединен с входами пороговых устройств, входы вычитателя являются входами прибора контроля.
Все указанные варианты устройства могут быть использованы в любом сочетании признаков.
Работа волоконно-оптического устройства определения положения поясняется следующими фигурами.
На фиг 1. представлен пример реализации волоконно-оптического устройства определения положения и фрагмент регулируемого клапана, где:
1 - источник оптического излучения;
2 - оптический разделитель (ОР);
3 - узел ввода-вывода оптический (УВВ);
4 - волоконно-оптический кабель;
5 - коллиматорные линзы;
6 - кольца;
7 - подпружиненный шток;
8 - узел отражения;
9 - корпус;
10 - приемник оптического излучения;
11 - узел контроллера (УК);
12 - узел питания (УП);
13 - прибор сбора и обработки информации (ПСОИ).
На фиг. 2 представлен укрупненный вид узла отражения.
На фиг. 3 представлен узел контроллера с входящими в его состав устройствами, в котором:
14 - вычитатель (дифференциальный усилитель);
15 - пороговое устройство для первого кольца (ПУ1);
16 - пороговое устройство для второго кольца (ПУ2).
Устройство содержит источник 1 оптического излучения, выполненный в виде передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ), соединенный с оптическим разделителем 2 (ОР), волоконно-оптическую линию связи, выполненную в виде оптического кабеля 4. Устройство содержит две коллиматорные линзы 5, два кольца 6 с металлическими поверхностями, установленные на подпружиненном штоке 7, вместе образующие узел отражения 8. Кольца 6 и шток 7 имеют различные коэффициенты отражения оптического излучения. Кроме того, кольца 6 имеют между собой различные коэффициенты отражения оптического излучения. Устройство содержит приемник 10 оптического излучения, выполненный в виде приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), который вместе с ПОМ 1 и ОР 2 представляют собой узел ввода-вывода 3 оптический (УВВ). УВВ 3 соединен с узлом контроллера 11 (УК), которые в свою очередь подключены к узлу питания 12 (УП). Источник 1 может быть выполнен в виде монохроматического оптического источника.
Все узлы могут быть расположены в едином корпусе прибора сборки и обработки информации 13 (ПСОИ).
Корпус 9, с расположенным в нем штоком 7 и узлом отражения 8, может быть установлен от ПСОИ 13 на удалении до 100 м. Однако, возможно конструктивное исполнение устройства, при котором УВВ 3 устанавливается непосредственно на объекте измерения положения вместе с корпусом 9, например на штоке клапана, у места контакта с заслонкой или створкой двери. Все элементы устройства могут быть установлены в едином корпусе.
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от ПОМ 1 распространяется по волоконно-оптическому кабелю 4, достигает оптического разделителя 2 (ОР), в котором оптический луч разделяется на два луча, при этом ОР 2 выполняет функцию датчика источника оптического излучения. Первый луч идет по волоконно-оптическому кабелю в узел отражения 8, а второй в узел контроллера 11 (УК).
В узле отражения 8 (фиг. 2) пучок света выходит из коллиматорной линзы 5, установленной на конце подающей линии ВОЛС (оптического кабеля), и попадает на одно из двух колец 6. Пучок света, отражаясь от его поверхности, входит в другую коллиматорную линзу 5, установленную на входе обратной линии ВОЛС. В самом простом варианте пучок света может отразится не от кольца, а от поверхности штока 7 при соответствующем положении штока.
Кольца имеют покрытия разных металлов. Например, если кольцо, расположенное на конце подпружиненного штока 7, имеет хромовое покрытие, а кольцо, расположенное рядом имеет никелевое покрытие, то по коэффициенту отражения (степени изменения уровня оптического сигнала на выходе из узла отражения по сравнению с уровнем источника) можно определить от поверхности какого кольца отразился луч света. Таким образом определяется положение штока. При этом перепад уровня сигнала (коэффициент отражения) остается стабильным за счет использования именно металлических поверхностей и отсутствия привязки к определенному цвету (частотной характеристики источника и фильтра-отражателя). Далее сигнал по волоконно-оптическому кабелю 4 поступает на ПРОМ 10, от него - в узел контроллера 11 (УК).
На фиг. 3 представлен УК 11, обеспечивающий управление узлом УВВ 3, обработку и выдачу информации потребителю. В состав УК 11 входит вычитатель 14, и два пороговых устройства (ПУ). На вход вычитателя 14 непрерывно подаются сигналы от ОР 2 и от ПРОМ 10.
Выходная разница двух сигналов подается параллельно на первое пороговое устройство 15 (ПУ1), соответствующее коэффициенту отражения оптического излучения кольца, имеющего, например, хромовое покрытие, и второе пороговое устройство 16 (ПУ2) соответствующее коэффициенту отражения оптического излучения кольца, имеющего, например, никелевое покрытие. Следовательно, если выходной сигнал вычитателя 14 соответствует коэффициенту отражения оптического излучения, характерному для хрома, то шток находится в первом положении, а если выходной сигнал соответствует коэффициенту отражения, характерному для никеля, то шток находится во втором положении. Таким образом, по величине перепада отраженного оптического излучения определяют положение подпружиненного штока 7.
При отсутствии сигнала с обоих пороговых устройств можно установить факт деформации (неисправности, обрыва) волоконно-оптического кабеля 4, т.е. осуществить контроль целостности линии.
Узел питания 12 (УП) осуществляет питание узлов УВВ 3 и УК 11 стабилизированным напряжением постоянного тока от 12 до 36 В по двум каналам.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает возможность определения ряда положений, например различных механизмов, при повышении его надежности, упрощении изготовления и снижении вероятности ложного срабатывания.