Датчик давления

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к датчикам давления. Целью изобретения является повышение точности и чувствительности. Под действием измеряемого давления изменяется рабочий зазор 33 между торцами излучающего 7, приемного 8 световодов и петлевого световода 6, размещенных на жестких центрах мембран 2 и 1. Поскольку зазор 33 заполнен светопоглощающей жидкостью , то в зависимости от величины зазораизменяетсяосвещенность фотоприемника 22. Имеются контрольные излучающий 11 и приемный 12 световоды с постоянным зазором 10 для контроля характеристик датчика. Для периодического подключения контрольных световодов 11 и 12 предусмотрен оптический переключатель 16. 1 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (51)5 G 01 1 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4847989/10 (22) 27.04.90 (46) 07.09.92. Бюл, М 33 (71) Грозненское научно-производственное объединение "Промавтоматика" (72) M.Ã.Kóçíåöîâ, Б,Г.Соколов, А,И.Кашуба и P.Ê.Àâèáåêoâ (56) Патент CILIA М 4360247, кл, G 01 1 9/00, 1982.

Патент СшА М 4158310, xn. G 01L 9/00, 1980.

Патент Великобритании t+ 1546080; кл. G 01 1 11/00, 1986. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к датчикам

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в устройствах контроля технологических параметров производственных процессов, в автоматизированных системах управления, сбора и обработки информации, а также в средствах регулирования.

Известен волоконно-оптический чувствительный элемент, принцип действия которого основан на изменении оптической связи между двумя прилегающими друг к другу волоконно-оптическими световодами в зависимости от изменения действующего на них давления, Чувствительный элемент давления выполнен в виде круглого держателя, в котором закреплены два световода.

Чувствительный элемент снабжен выступом в центре, сверху которого прикреплена круглая мембрана с выступом в центре, об„„ Ы„„17б0417А1 давления. Целью изобретения является повышение точности и чувствительности. Под действием измеряемого давления изменяется рабочий зазор 33 между торцами излучающего 7, приемного 8 световодов и петлевого световода 6, размещенных на жестких центрах мембран 2 и 1, Поскольку зазор 33 заполнен светопоглощающей жидкостью, то в зависимости от величины зазора изменяется освещенность фотоприемника 22. Имеются контрольные излучающий 11 и приемный 12 световоды с постоянным зазором 10 для контроля характеристик датчика, Для периодического подключения контрольных световодов 11 и 12 предусмотрен. оптический пе рекл ючател ь

16. 1 ил. ращенным к выступу чувствительного элемента. Центральные части световодов без защитного покрытия пересекаются под острым углом и расположены между выступами.

При наличии давления световоды сжи- С маются выступами, при этом изменяется 4 степень оптической связи между ними и следовательно количество световой энергии, передаваемой из одного световода в другой. Один конец световодэ освещается лазером, а другой снабжен приемником. авеевЪ

Недостатком известного волоконно-оптического чувствительного элемента является низкая точность преобразования давления в информационный сигнал, за счет износа контактируемых участков световода; за счет гистерезиса наличия сил трения между контактируемыми участками световодов. (.ущоственными недостатками известного устройства является низкая чувствиi «явность за счет малого диапазона изменения оптической связи между световодами. а также большой разброс характе- 5 ристик (невоспроизводимость) иэ-за наличия непосредственного контакта между световодами.

Известен другой преобразователь давления, в котором чувствительным злемен- 10 том служит круглая мембрана с отражающей поверхностью, против которой расположен конец пучка оптических волокон, который делится на два пучка, конец одного из них расположен против источни- 15 ка света, другой против фотодетектора, Разность фаз между отраженным светом, поступающим на фотодетектор, и светом источника пропорциональна смещению мембраны под действием давления, 20

Недостатком известного устройства является сложность преобразования фазовых сигналов в информационный сигнал, а также узкий диапазон измеряемых давлений, Известен другой оптический датчик 25 давления, который по своей технической сущности и достигаемому положительному эффекту является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принят авторами за прототип, содержащий корпус, внутри 30 которого расположены две мембраны, соединенные по периметру кольцевым элементом, и;ëó÷àþùèé и светоприемный световоды, подключенные к основному оптическому разъему. соединенному с вола- 35 конно-оптическим кабелем, источник света и фотоприемник.

Известному оптическому датчику давления присущи существенные недостатки, заключающиеся в следующем: 40 малый диапазон измеряемых давлений, обусловленный высокой жесткостью круглых мембран, охваченных промежуточным элементом, что требует высокой степени точности обработки бокового профиля воло- 45 ска на три порядка от величины упругого перемещения мембраны; низкая точность измерения иэ-эа недостаточной крутизны преобразования, как мембран в перемещении, так волосков в 50 информационный сигнал, практически невозможность получения идентичных харак;ерисгик преобразователя, так как при малых перемещениях волосков относитель- о друг друга в полос и. перпендикулярной 55 их осям, параллельность и идентичность бо :авых поверхностей волосков должна быть

:;" несколько порядков выше, чем их попер:.. ные размеры, что черезвычайно сложно и пете: налогично выполнить при малых поперечных размерах волосков, что приводит к низкой точности измерения; низкая точность преобразования светоаого сигнала в информационный из-эа температуры изменений электрических параметров характеристик, как излучателя светового потока, так и фотоприемника, а также из-за старения их оптических характеристик во времени, Целью изобретения является устранение укаэанных недостатков, а именно повышение точности и чувствительности.

Поставленная цель достигается датчиком давления, содержащим корпус, внутри которого расположены две мембраны, соединенные по периметру кольцевым элементом, излучающий и светоприемный световоды, подключенные к основному оптическому разьему, соединенному с волоконно-оптическим кабелем, источник света и фотоп риемник, согласно изобретению, дополнительно снабжен отрезком световода, контрольными излучающим и светоприемными световодами, камерой с эластичными стенками и оптическим переключателем с первым и вторым оптическим разьемом. причем мембраны выполнены с зеркальносимметричными гофрами и жесткими центрами, при этом жесткий центр первой мембраны выполнен с петлевым каналом, в который уложен отрезок световода, образующий рабочие зазоры своими торцами с торцами излучающего и светоприемного световодов, размещенных в жестком центре второй мембраны, который закреплен в корпусе и в котором размещены контрольные излучающий и светоприемный световоды, торцы которых размещены в полости, выполненной в этом жестком центре, с постоянным зазором, величина которого равна удвоенному рабочему зазору, причем контрольные световоды подключены к основному оптическому разьему, при этом на жестком центре второй мембраны размещена камера с эластичными стенками, причем полость этой камеры, постоянный зазор и межмембранная полость сообщены между собой и заполнены светопоглощающей жидкостью, а свободный конец волоконнооптического кабеля подключен к первому оптическому раэьему оптического переключателя, второй оптический разьем которого подключен к источнику света и фотоприемнику.

Датчик давления отличается тем, что оптический переключатель выполнен в виде камеры с раэмегценными в ней балкой на упругих лентах. электромагнитом с якорем, шестью отрезками световодов и эластичного компенсатора, причем балка соединена с

17б0417 якорем и на ней размещены два отрезка световодов, подключенных ко второму оптическому разъему и свободные торцы которых размещены напротив свободных торцов остальных четырех отрезков световодов, подключенных к первому оптическому разъему, при этом полости камеры и эластичного компенсатора сообщены между собой и заполнены светопрозрачной жидкостью.

Изготовление мембран своими торцами, развернутыми в противоположные стороны, а ориентацию гофр вершинами одна против другой и герметичное соединение их торцов с кольцевым элементом, жесткими центрами позволяет получить стабильный чувствительный элемент преобразователя давления измеряемой среды в перемещение утолщения за счет того, что швы соединенных кромок мембран работают на растяжение и сжатие и да от малую деформацию, перемещение же утолщенной части мембраны достигается за счет деформации гофр, которые значительно стабильнее, чем деформация соединенных кромок.

Использование изменяемого поддействием измеряемого давления расстояния между торцами излучающего и светоприемного световодов, обеспечивает технологичность изготовления, точность и стабильность в работе, а качество их обработки не влияет сколько-нибудь существенно на характеристику работы так, как торцы получают путем простой операции скола.

Заполнение пространства между торцами излучающего и светоприемного световодов светопоглощающей средой, например жидкостью, обеспечивает высокую чувствительность и крутизну преобразования. Наличие второй пары световодов с постоянным зазором обеспечивает контроль за старением параметров оптического кабеля и расчета поправки, что исключает погрешность измерения от старения оптического кабеля, Перибдическое переключение источника света и фотоприемника с информационной пары световодов на компенсационную, обеспечивает. возможность учесть ошибки измерения за счет старения и нестабильности источника света и фотоприемника, что повышает метрологические характеристики датчика.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен датчик давления, со.стоящий из двух гофрированных мембран, нижней 1 и верхней 2, выполненных с зеркально симметричными гофрами и с жесткими центрами 3 и 4. Снаружи мембраны 1 и

2 герметично, например, сваркой соедине5

55 ны по периметру кольцевым элементом 5. а с внутренней стороны герметично, также сваркой, соединены с жестким центром 3, который выполнен с петлевым каналом, s котором уложен отрезок световода б в виде петли и своими концами ориентированный вверх, а напротив его торцов с рабочим зазором а размещены торцы излучающего 7 и светоприемного 8 световодов, которые закреплены в жестком центре 4, который герметично соединен с корпусом 9 датчика давления.

В полости 10 также размещены неподвижно контрольные излучающий 11 и светоприемный 12 световоды, торцы которых ориентированы относительно друг друга с постоянным зазором б,равным суммарному зазору излучающего 7 и светоприемного 8 световодов как 2х а. Противоположные концы излучающего 7, светоприемного 8 и концы контрольных излучающего 11 и светоприемного 12 световодов, через основной оптический разъем 13, смонтированном в корпусе 9 датчика давления посредством волоконно-оптического кабеля 14 попарно и параллельно друг другу через первый разъем 15 оптического переключателя 16 с электрол1агнитным управлением, например, выполненного в виде параллельно расположенной с зазором в балки 17 и втооого разъема 18. В балке 17 и втором разъеме 18 закреплены излучающий

19 и светоприемный 20 отрезки световодов, которые веохними торцами ориентированы к торцам четырех введенных световодов посредством первого разъема 15 и волоконнооптического кабеля 14. А противополо>кные концы отрезков излучающего 19 и светоприемного 20 световодов подключены к источнику света 21 и фотоприемнику 22, которые через усилитель 23 и àíà oro-цифровой преобразователь 24 подключены к входу данных микроЭВМ 25, через блоки вывода импульсного сигнала 2б, сигналов последовательного 27и параллельного 28 кодов.Соответственно подключен к ооложке электромагнита 29. показывающему прибору дистанционного контроля 30, показывающему прибору местного контроля 31. При этом полость мембран 1 и 2, рабочий зазор а и постоянный зазор б между излучающими

7, контрольным 11 и светоприемными 8, контрольным 12 световодами, а также полость 10, снабженная камерой с эластичными стенками 32, сообщены между собой и заполнены светопоглощающей жидкостью

33. Балка 17 связана со вторым оптическим разъемом 18 упругими лентами 34 и 35, снабжена якорем 36, взаимодействующим с электромагнитом 29..Полость 37 оптическо1760417

40

50 го перекЛючателя 16 и эластичного компенсатора 38 сообщены между собой и заполнены светопрозрачной жидкостью 39, например, глицерином, Датчик давления работает следующим образом, При воздействии контролируемого избыточного давления Р на.мембраны 1 и 2 происходит их упругая деформация. Выполнение мембран 1 и 2 с зеркально симметричными гофрами ориентированными своими выпуклыми вершинами одна к другой. обеспечивает работу мембран 1 и 2 и кольцевого элемента 5, герметично соединенного с мембранами 1 и 2 соответственно на растяжение и сжатие, что обеспечивает стабильность перемещения жесткого центра 3, пропорционально избыточному давлению Р.

При этом непосредственно мембраны 1 и 2 работают на изгиб, обеспечивая высокую чувствительность, так как величина упpyroA деформации значительно выше деформации на сжатие или растяжение. Нестабильность же упругих элементов всегда, как правило, появляется в зонах стыковки их кромок с жесткими центрами 3 и 4. Поэтому в данном случае их малая деформация, по сравнению с деформацией тела мембран

1 и 2 под действием избыточного контролируемого давления Р, происходит пропорциональное перемещение жесткого центра 3 в центре мембраны 1, А следовательно пропорционально давлению Р. Изменение (уменьшение) рабочего зазора а между торцами встроенного в жесткий центр 3 отрезка световода 6 и торцами излучающего 7 и светоприемного 8 световодов. Так как рабо-. чий зазор а между торцами отрезка световода 6 и излучающего 7 и светоприемного 8 заполнены светопоглощающей жидкостью

33, например метилкорбатолом темно-красного цвета, происходит уменьшение величины затухания светового потока, выходящего из торца излучающего 7 световода, который поступает от источника света 21 через излучающий отрезок 19 световода и зазор в, заполненный средой с малым коэффициентом затухания, например глицерином. В результате уменьшения затухания в рабочем зазоре а световой поток увеличивается на входе в торец отрезка световода 6, который эа счет своего изгиба изменяет его направление на 180О и ориентирует на торец светоприемного 8 световода через уменьшенный слой светопоглощающей жидкости 33 в рабочем зазоре а. По светоприемному световоду 8 световой поток поступает на фотоприемник 22 через светоприемный отрезок 20 и зазор в между их торцами, где преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, который после усиления усилителем 23 и преобразованный в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 24, поступает в микроЭВМ 25, например однскристалльную микроЭВМ типа К1816 BE 48, где после корректировки линеаризации и масштабирования через блоки вывода последовательного 27 и параллельного 28 кодов, подается на входы показывающих приборов дистанционного 30 и местного 31 контроля, где преобразуется в визуальную информацию.

В связи с тем, что в процессе эксплуатации, а также от воздействия внешних факторов температуры, старения световодов, источника счета, фотоприемника, жидкостей, заполняющих рабочий зазор а, постоянные зазоры б и в, происходит искажение информации светового потока, Устранение указанных искажений осуществляется периодической посылкой контрольного светового сигнала, командой микроЭВМ 25, через блоки вывода импульсного сигнала 26 на обмотку электромагнита 29, магнитным полем которого якорь 36 притягивается и происходит перекоммутация светового потока излучающего источником света 21 на торец контрольнсгс излучающего световода 11, пс которому световой поток подается на торец контрольного светоприемного световода 12, через постоянный зазор б, который заполнен той же светопоглощающей жидкостью 33, что и рабочий зазор а, и coîáùàþòñÿ между собой. Таким образом, измеряется опорный сигнал, который содержит толька информацию об изменении параметров светопоглощающей жидкости 33, излучающего 7 и светоприемного 8 световодсв контрольных излучающего 11 и светоприемного 12 световодов, источника света 21, фотоприемника

22 и аналого-цифрового преобразователя

24. По этому контрольному сигналу микроЭВМ 25 исключает величину искажающих факторов. Для компенсации температур, сопротивлений, расширения светопоглощающей жидкости 33, заполняющей рабочий зазор а, и светопрозрачной жидкости 33, заполняющей полость 37 оптического переключателя 16 с электромагнитным управлением и зазор в, служат: камера с эластичными стенками 32 и эластичный компенсатор 38, которые принимают избыточные объемы этих жидкостей.

Повышение точности измерения давления достигается за счет введения контрольной цепи для прохождения светового потока, включающий в себя блок оптическоlo переключателя 16 с электромагнитным управлением и контрольные излучающий 11

1760417

5

30

40

50 и светоприемный 12 световоды, С течением времени, в результате старения или воздействия температуры окружающей среды, происходит изменение интенсивности излучения источника света 21, чувствительности фотоприемника 22, светопропускания световодов 7,8 и 11,12. Периодический контроль интенсивности. светового потока, протекающего по контрольной цепи, позволяет изменить эти изменения параметров электронно-оптических компонентов и внести поправки в результат измерения, Ввод поправок осуществляется следующим образом. После изготовления датчика давления или во время периодических контрольных поверок на стенде, определяют значения входного напряжения Огг фотоприемника

22 ",ðè различных значениях избыточного давления Р при прохождении светового потока через излучающий и светоприемный световоды 7 и 8, то есть при обеспеченном электрсмагните 29. Затем эта таблица зна ений Огг и Р заносится и постоянное запоминающее устройство микроЭВМ 25.

После этого подается напряжение на электромагнит 29, при этом блок оптического переключателя 16 переключается и световой поток идет через контрольную цепь излучающего 11 и светоприемного 12 световоды. При этом измеряется контрольное выходное напряжение фотоприемника 22 Огг, которое также записывается в постоянное запоминающее устройство микроЭВМ 25.

В процессе измерения на объекте производятся измерения фактических значений О22 и U22Ke и вычисление в микроЭВМ

25 расчетного значения U22.по формуле (1)

Огг = U22e + К(Оггк — Оггкэ), (1) где U22e — выходное напряжение фотоприемника 22 при измерении давления на объекте в процессе эксплуатации;

Оггкэ — выходное напряжение фотоприемника 22 при подаче тока на электромагнит 29 и прохождении светового потока через контрольные световоды излучающий

11 и светоприемный 12 непосредствемно после измерения;

К вЂ” коэффициент пропорциональности, для конкретной конструкции может быть величиной постоянной, или в общем виде К може быть функцией U22e и Оггкв. т.е, К = (U22e, Оггка) (2)

Коэффициент К определяется опытным путем при градуировке датчика давления.

После определения U22 по формуле (t) по таблице, записанной в ПЗУ микроЭВМ

25 определяет истинное значение измеряемого давления Р, Расширение диапазона измерения достигается за счет использования двух мембран 1 и 2 и кольцевого элвмента 5, соединенный как указано в материалах заявки, а также за счет использования микроЭ ВМ 25, которая позволяет хранить в своем постоянном запоминающем устройСтве

ПЗУ таблицу соответствия выходного напряжения фотоприемника 22 измеряемому давлению Р в широком диапазоне измерения.

Линейную характеристику преобразования измеряемого давления в выходной электрический сигнал блока преобразования цифрового кода 28 можно получить за счет линеаризации поступающего с выхода фотоприемника 22 с помощью микроЭВМ 25.

В качестве источника света 21 может быть использован монохроматический источник света. При этом различное затухание оптического излучения в зависимости от длины волны используемого излучения не будет сказываться. Но даже при использовании монохроматического источника света

21, нелинейность преобразования измеряемого давления в выходной электрический сигнал фотоприемника 22 определяется при градуировке волоконно-оптической системы. Получение таблицы или функциональных зависимостей заносится в память микроЭВМ 25 и используют в дальнейшем для линеаризации характеристики преобразования.

Зкономическая эффективность, по сравнению с прототипом, заключается в увеличении срока службы волоконно-оптического датчика давления, что позволит сократить число датчиков на технологическом объекте и снизить стоимость информационно-измерительных и регулируемых систем.

Высокая точность измерения технологических параметров позволяет повысить качество продукции и приводит к экономии сырья и материалов.

Формула изобретения

1. Датчик давления, содержащий корпус, внутри которого расположены две мембраны, соединенные по периметру кольцевым элементом, размещемные в межмембранной полости рабочие излучающий и приемный сввтоводы, подключенные к основному оптическому разъему, соединенному с волоконно-оптическим кабелем, источник света и фотоприемник, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, он снабжен отрезком световода, контрольными излучающим и приемными световодами, камерой с эластичными стенками и оптическим переключателем с первым и вторым оптическими разъемами, причем мембраны выполнвмы с зеркально симмвтричмыми гофрами и жесткими центрами, при этом

1760417! жесткий центр первой мембраны выполнены с петлевым каналом, в который уложен отрезок световода с образованием двух рабочих зазоров между его торцами и торцами рабочих излучающего и приемного световодов, размещенных в жестком центре второй мембраны, который закреплен в корпусе и в котором размещены также контрольные излучающий и приемный световоды, торцы которых с постоянным зазором размещены в .полости, выполненной в этом жестком центре, причем величина постоянного зазора равна суммарной величине обоих рабочих зазоров, при этом контрольные световоды подключены к основному оптическому разьему, а на жестком центре второй мембраны размещена также камера с эластичными стенками, причем полость этой камеры, полость, выполненная в жестком центре, и межмембранная полость сообщены между собой и заполнены светопоглощающей жидкостью, а свободный конец волоконнооптического кабеля подключен к первому

1 В оптическому разъему оптического переключателя, второй оптический разъем которого подключен к источнику света и фотоприемнику.

2, Датчик давления по п.1; о т л и ч а юшийся тем, что оптический переключатель выполнен в виде камеры с размещенными в ней балкой на упругих лентах, 10 электромагнитном с якорем и шестью отрезками световодов и эластичного компенсатора, причем балка соединена с якорем и на ней размещены два подключенных к второму оптическому разъему от15 резка световодов, свободные торцы которых размещены напротив свободных торцов остальных четырех световодов, подключенных к первому оптическому разъему, при этом полости камеры и эла20 стичного компенсатора сообщены между собой и заполнены светопрозрачной жидкостью.