ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к преобразователям разности давлений в системах дистанционного контроля перепадов давления жидкостных сред, осуществляющим оптическое кодирование измеряемой физической величины.
Известен датчик разности давлений, содержащий корпус с профилированными поверхностями под мембраны, мембраны, преобразователь давления, штуцеры, две камеры и шток. Чувствительный элемент датчика 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. Патент Российской Федерации на полезную модель №127461, МПК: G01L 9/12, 2013 г., аналог.
Недостатком аналога является необходимость в заполнении замкнутой герметичной полости гидравлической жидкостью. Гидравлическая жидкость, благодаря свойству несжимаемости, не позволяет мембранам, расположенным в камерах приема давления, прогибаться внутрь при воздействиях давлений. Наличие жидкостного заполнения усложняет технологию сборки датчика и налагает ограничение на использование датчика в системах, исключающих загрязнение измеряемой рабочей среды, возможное при нарушении герметичности внутренней полости и вытекании гидравлической жидкости. Естественное образование маленьких пузырьков воздуха в щелях между гофрированными мембранами и профилированными поверхностями корпусной детали, при заполнении внутренней полости датчика гидравлической жидкостью, неизбежно приводит к понижению точности измерений и, потому, требует сложных технологических операций при сборке.
Известен оптический детектор разности давлений, содержащий корпусной элемент с опорными поверхностями, две камеры, упругие элементы, шток, оптические световоды, относительно торцов которых, на расстоянии сформирована отражающая поверхность. Упругие элементы закреплены соосно друг относительно друга, оси оптических световодов перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают ее левую и правую границы, направления смещений отражающей поверхности совпадают с осью каждого из упругих элементов. Упругие элементы изготовлены из монокристаллического кремния. Конструктивные элементы изготовлены из материалов с близкими коэффициентами температурного расширения. Патент Российской Федерации №2547896, МПК: G01L 11/02, 2015 г., прототип.
Недостатком прототипа является сложность соединения упругих элементов со штоком, который должен быть жестко закреплен между их центрами. Ввиду того, что шток представляет собой отдельный элемент конструкции (не является единым целым с упругими элементами), необходимость такого соединения, соблюдая условие соосности закрепления упругих элементов между собой, усложняет техпроцесс сборки. Особенно это проявляется при использовании в качестве материала упругих элементов монокристаллического кремния. Такой материал также требует применения специальной методики соединения упругих элементов (мембран) с корпусным элементом (который зачастую изготавливается из легированной стали).
Задачей полезной модели является создание оптического преобразователя для систем дистанционного контроля перепадов давления жидкостных сред, не требующего сложных технологических операций при изготовлении.
При анализе упругих свойств элементов металлических деталей, зависящих от соотношения между размерами этих элементов, возможно выявление условий, приемлемых, в большинстве случаев, для использования в последующих расчетах и проектировании конструкций упругих элементов преобразователей разности давлений, и обеспечивающих упрощение технологии изготовления этих преобразователей.
Техническим результатом является упрощение конструкции преобразователя.
Технический результат достигается тем, что оптический преобразователь разности давлений содержит корпус, две камеры, упругий элемент, верхний и нижний оптические световоды, оси которых совпадают между собой, упругий элемент выполнен в виде единой металлической детали, состоящей из двух силовых мембран и жесткого центра между ними, в центральной части которого, перпендикулярно оси симметрии упругого элемента, расположено сквозное отверстие, ось которого совпадает с осью верхнего и нижнего оптических световодов, а соотношение размеров элементов единой металлической детали соответствует условию:
где D - максимальный диаметр деформируемой части силовой мембраны упругого элемента, d - минимальный диаметр жесткого центра между силовыми мембранами упругого элемента, k - минимальная толщина деформируемой части силовой мембраны упругого элемента.
1
2
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлен оптический преобразователь разности давлений в разрезе, где: 1 - упругий элемент, 2 - корпус, 3 - камера для приема измеряемого давления P, 4 - камера для приема измеряемого давления P, 5 - верхний световод, 6 - нижний световод, D - максимальный диаметр деформируемой части силовой мембраны упругого элемента, d -минимальный диаметр жесткого центра между силовыми мембранами упругого элемента, k - минимальная толщина деформируемой части силовой мембраны упругого элемента.
Оптический преобразователь разности давлений содержит упругий элемент 1, выполненный в виде единой металлической детали, состоящей из двух силовых мембран и жесткого центра между ними.
1
2
Упругий элемент 1 закреплен в корпусе 2, представляющим собой разборную несущую конструкцию. В центральной части жесткого центра, перпендикулярно оси симметрии упругого элемента (является одновременно и осью вращения данной детали) расположено сквозное отверстие, ось которого в исходном положении совпадает с осями верхнего 5 и нижнего 6 световодов, закрепленных между камерами 3 и 4. Камера 3 предназначена для приема измеряемого давления P камера 4 - для приема измеряемого давления P. При отсутствии разности давлений, световой поток, направленный из верхнего световода 5 на центральную часть упругого элемента 1 полностью проходит через его отверстие, к нижнему световоду 6 (экранирование светового потока отсутствует). Световой поток, при этом, коллимирован (направлен параллельно оптической оси распространения излучения) с целью исключения световых потерь из-за расходимости света. В качестве световодов 5 и 6 использованы оптоволоконные жгуты, представляющие собой гибкую тонкую трубку, в которой находится несколько сотен оптических многомодовых волокон.
Размеры основных частей упругого элемента 1 выбирают из соотношения (1). Марку и физико-химические свойства материала упругого элемента выбирают исходя из требуемых условий эксплуатации преобразователя (в частности, при выборе материала упругого элемента учитывается наличие агрессивных примесей в конкретной измеряемой рабочей среде). Ввиду того, что при пропорциональном увеличении/уменьшении всех размеров детали (масштабирование размеров) ее физические свойства изменяются, предлагаемое соотношение (1) позволяет задать некий начальный набор размеров для упругого элемента.
Затем, любым из известных способов, осуществляют расчет диапазона допустимых воздействий давлений на упругий элемент со стороны камер 3 и
4 (определяют диапазон давлений, при котором будут сохранены упругие свойства силовых мембран и будут отсутствовать необратимые пластические деформации в них). Для каждого конкретного набора размеров упругого элемента определяют диапазон допустимых воздействий давлений на него со стороны камер 3 и 4. Функционирование оптического преобразователя в таком диапазоне давлений, позволяет исключить необходимость заполнения внутренней полости преобразователя гидравлической жидкостью.
Силовые мембраны упругого элемента 1, удовлетворяющие условию (1) обладают выраженной относительной толщиной (при анализе соотношений между диаметром силовой мембраны и ее минимальной толщиной по сравнению с аналогом), что способствует повышению надежности преобразователя: повышается устойчивость силовых мембран упругого элемента к механическому воздействию мелких частиц в измеряемой рабочей среде.
Оптический преобразователь разности давлений работает следующим образом.
1
2
В камеры 3 и 4 подают давления P и P соответственно. Упругим элементом 1, давления измеряемой среды в камерах 3 и 4 преобразуют в линейные смещения отверстия в жестком центре относительно осей верхнего 5 и нижнего 6 световодов. Смещения отверстия в жестком центре упругого элемента 1 приводят к экранированию светового потока, направленного из верхнего световода 5 к нижнему световоду 6. Коллимированный световой поток в верхний световод 5 поступает от излучателя. Нижним световодом 6 световой поток передают к приемнику излучения, в котором осуществляют обработку оптического сигнала. В качестве излучателя и приемника излучения может быть использован спектроанализатор (излучатель и приемник излучения на чертеже не показаны).
Упругий элемент может быть изготовлен из стали, например, марки 36НХТЮ. Корпус оптического преобразователя разности давлений может быть изготовлен из стали, например, марки 12Х18Н10Т. Использование таких материалов (сталей со схожими свойствами) упрощает выбор способа соединения упругого элемента (в зонах максимального диаметра силовых мембран) с корпусом. Соединение может выполняться, например, способом лазерной сварки по замкнутому контуру.
Исключение необходимости жидкостного заполнения внутренней полости преобразователя и упрощенная конструкция упругого элемента, обеспечивающего преобразование разности давлений в предлагаемой полезной модели, позволили упростить конструкцию преобразователя.