ДАТЧИК РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к измерению давления жидкостей и газов с использованием волоконно-оптического чувствительного элемента, кодирующего измеряемую информацию путем изменения спектральных характеристик оптического излучения.
Известен емкостный датчик разности давлений, содержащий корпус с приемными штуцерами, размещенную в корпусе мембрану со штоком, связанным с тонкостенкой разделительной втулкой, консольно закрепленной в корпусе, емкостный преобразователь с подвижным и неподвижными электродами и расположенный в полости разделительной втулки стержень, один конец которого прикреплен к ее торцу, а на другом его конце закреплен подвижный электрод преобразователя, шток выполнен составным из жесткой части, соединенной с центром мембраны, и гибкой части, соединенной с торцом разделительной втулки с соотношением жесткостей частей соответственно 10:1, при этом соотношение длины стержня и длины разделительной втулки составляет 1:5. Патент Российской Федерации №2010198, МПК: G01L 9/12, 30.03.1994 г.
Известен датчик разности давлений газовоздушных сред, содержащий основание с подводящими штуцерами, на котором закреплены два чувствительных элемента, связанных между собой штоком, скрепленным с одним концом соединительного элемента, расположенного перпендикулярно оси штока, при этом другой его конец закреплен на пластине с тензорезисторами, установленной перпендикулярно соединительному элементу, в него введены корпус, шарнирная тяга и два гибких рукава, при этом тяга одним концом прикреплена к основанию, а другим - к корпусу и расположена перпендикулярно оси штока, каждый из гибких рукавов с одной стороны связан с подводящим штуцером, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде мембранной коробки, неподвижным дном закрепленной на основании, а подвижным дном связанной со штоком, при этом полости мембранных коробок сообщены с полостями штуцеров. Патент Российской Федерации №2026541, МПК: G01L 13/02, 09.01.1995 г.
Известен датчик, содержащий преобразователь давления и электронный преобразователь. Тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, размещен внутри основания и замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами, приваренными по наружному контуру к основанию и соединенными между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя с помощью тяги. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя. Датчик разности давлений Метран-22 АС. Руководство по эксплуатации СПГК. 1529.000 РЭ, стр.45 п.1.3.8, Челябинск 2009. Датчик чувствителен к электромагнитным помехам, что понижает точность его измерений. Прототип.
Полезная модель устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в датчике разности давлений, содержащем корпус с профилированными поверхностями под мембраны, мембраны, преобразователь давления, штуцеры, две камеры и шток, преобразователь давления выполнен в виде балки с зоной деформации с закрепленным на ней оптическим волокном, измерительный канал сформирован, по меньшей мере, двумя волоконными Брэгговскими измерительными решетками, при этом, хотя бы одна из измерительных решеток расположена вне зоны измеряемой деформации чувствительного элемента.
Существо полезной модели поясняется на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 схематично представлен волоконно-оптический датчик разности давлений, где: 1 - несущая корпусная деталь, 2 - замкнутая герметичная полость, 3 - мембраны, 4 - преобразователь давления, 5 - штуцеры, 6, 7 - камеры, 8 - оптическое волокно, 9 - центральный шток.
На фиг.2 схематично представлен преобразователь давления, где: 8 - оптическое волокно, 10 - измерительная решетка, 11 - подложка преобразователя, 12 - концентратор напряжений, определяющий зону деформации подложки, 13 - область закрепления к корпусу датчика, 14 -область закрепления к центральной части штока, 15 - термокомпенсационная решетка.
Датчик разности давлений содержит преобразователь давления 4, размещенный внутри замкнутой герметичной полости 2 в несущей корпусной детали 1. Замкнутая герметичная полость 2 может быть заполнена гидравлической жидкостью. Преобразователь давления 4 отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 3.
Мембраны 3 приварены по наружному контуру к корпусной детали 1 и соединены между собой центральным штоком 9, который жестко связан с концом упругого элемента волоконно-оптического преобразователя балочного типа 4. Штуцеры 5 приварены к несущей корпусной детали 1.
Датчик разности давлений работает следующим образом.
Воздействие измеряемой разности давлений в камерах 6 и 7 вызывает прогиб мембран 3. Перемещения центрального штока 9 передают давление на преобразователь давления 4, который представляет собой упругую подложку преобразователя 11, соединенную с оптическим волокном 8, закрепленным на ней.
Область оптического волокна, в которой находится Брэгговская измерительная решетка 10, конструктивно выделена посредством пазов, сделанных в подложке преобразователя 11, для концентрации в них изгибающих напряжений.
Под действием сил, изгибающих подложку преобразователя 11, происходит деформация (растяжение или сжатие) Брэгговской измерительная решетки 10, что приводит к изменению ее периода и, следовательно, к изменению спектральных свойств излучения проходящего или отраженного от нее.
Далее, от преобразователя давления 4, сигнал передается по оптическому волокну 8 в аппаратуру спектрального анализа для последующей обработки.
Измерительный блок (область датчика, ограниченная мембранами 3) выдерживает без разрушения кратковременное воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечено тем, что при перегрузке одна из мембран 3 ложится на профилированную поверхность корпусной детали 1.
Для учета погрешности измерения, вносимой посредством температурного расширения преобразователя давления 4, температурного расширения оптического волокна 8 и материала подложки 11, измерительный канал преобразователя имеет хотя бы одну волоконную Брегговскую измерительную решетку 15, используемую для измерения температуры. Термокомпенсационная Брегговская измерительная решетка 15 сформирована на том же оптическом волокне, что и основная измерительная решетка 10 и аналогична ей, но имеет рабочую длину волны (Брэгговская длина волны) отличную от рабочей длины волны измерительной решетки 10 и расположена в зоне, не восприимчивой к измеряемой деформации упругого элемента 11.
Невосприимчивость термокомпенсационной измерительной решетки 15 к измеряемым деформациям упругой подложки 11 достигается тем, что измеряемая деформация передается посредством концентратора напряжений 13 в зону расположения основной измерительной решетки 10.
Таким образом, термокомпенсационная измерительная решетка 15 воспринимает исключительно температурные деформации оптического волокна, соединенного с упругой подложкой 11, которые в равной степени воздействуют на все измерительные решетки 10.
Учет температурных воздействий осуществляют путем обработки и программного анализа спектра сигнала, поступающего из преобразователя давления 4 в аппаратуру обработки.
Преобразователь давления 4 может содержать один или более измерительных каналов и иметь более одного оптического волокна с измерительными Брегговскими решетками. При этом участки оптического волокна, содержащие Брегговские измерительные решетки 10, закреплены по разные стороны упругого элемента 11, в результате чего, при изгибе упругого элемента 11, минимум одна из Брэгговских измерительных решеток 10 будет подвергаться растяжению и минимум одна - сжатию.
Возможно, осуществить и резервирование измерительных каналов (в случае повреждения одного из оптических волокон) и достигнуть более точного и достоверного измерения величины смещения центрального штока 9, определяющей разность давлений среды в камерах 6 и 7 (в случае исправного функционирования оптических волокон).
Закрепление оптического волокна на упругой подложке 11 обеспечивает возможность его сжатия. Один из возможных вариантов закрепления - «заливка» волокна посредством стеклоприпоя (обеспечивает всестороннюю фиксацию наружной оболочки волокна, исключающую выгибания и повреждения). Оптическое волокно закрепляют на упругом элементе 11.