Датчик давления

 

СОЮЗ СОВЕ ГСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s»s 6 01 (11/00

ГОСУДАРСТВЕН1-ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1 (21) 4807336/10 (22) 27.03.90 (46) 23.02.93, Бюл. № 7 (71) Научно-исследовательский институт механики и прикладной математики при Ростовском государственном университете (72) А.А,Акопьян, С,В.Федоров, E.Ê.Èàýíцов, В,M.Ëåâèí, В,А.Свистунов и Н,В.Áåçóãлова (73) НИИ механики и прикладной математики Ростовского университета (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1500889, кл. G 01 1 11/00, 1987. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давлений жидких газообразных и вязких сред в автоматизированных Системах управления технологическими процессами. Сущность изобретения; предлагаемый датчик давления содержит мембранный чувствительный элемент с периферийной частью, закрепленный в корпусе, первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), выполненные каждый в виде излучающего и приемного еветоводов с источником света и фотоприИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения давления жидких, газообразных и вязких сред в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Известен волоконно-оптический датчик давления мембранного типа, чувствительный элемент которого представляет собой. Ж 1797701 АЗ емником, включает в себя еще пластинчатый упругий элемент, свободно опирающийся одним заостренным концом в утолщение центра мембранного чувствительного элемента, а другим — в опору, образованную в утолщении корпуса, и имеющий в центральной части отражающие поверхности с обеих сторон, причем излучающие и приемные световоды обоих ВOП установлены соосно по двум параллельным осям, перпендикулярным поверхности пластинчатого элемента, а торцы световодов параллельны повеохности пластинчатого элемента, а торцы световодов параллельны поверхности пластинчатого упругого элемента и направлены друг навстречу другу, выходы фотоприемников обоих ВОП подключены к входу определителя отношений электрических напряжений, выход которого подсоединен к регистрирующему устройству, причем мембранный чувствительный элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения, входы излучающих световодов обоих ВОП подсоединены к выходу светоделителя, на входе которого установлен общий источник излучения. 1 ил. стеклянную призму и прикрепленную к гипотенузной грани последней стеклянную мембрану, причем мембрана и призма разделены тонкой кольцевой прокладкой. К двум катетным граням призмы подведены излучающий и приемный световоды.

Датчик работает на принципе нарушения полного внутреннего отражения опти1797701

20

35

50 ческого излучения (ПВО) в стеклянной призме.

Недостаток устройства — существенное уменьшение чувствительности при колебаниях температуры внешней среды. Это видно из следующего. Чувствительность оптических преобразователей прямо пропорциональна удельной глубине модуляции излучения, которая определяется из соотношения

M = (1 - ехр(— P — )) — — RSmin, (1) х ов (P где Smln, бв, х,  — конструктивные параметры преобразователя давления;

j3- эмпирический коэффициент;

d — длина пути осевых лучей от светоизлучающего диода до фотоприемника.

Как видно из (1), глубина модуляции М обратно пропорциональна величине d, г которая существенно зависит от температурного расширителя деталей преобразователя, выполненных, как правило, из материалов с различными коэффициентами теплового расширителя (KTP). Поэтому даже небольшое изменение температуры среды, приводит к значительному нелинейному(величина d B квадрате) изменению значения

M. а следовательно, и к изменению чувствительности, что приводит к появлению больших температурных погрешностей, Другой существенный недостаток устройства в сложности юстировки его при обеспечении режима ПВО при измерении давления сред в широком температурном диапазоне.

Отмеченные недостатки частично устранены в другом известном устройстве, принятом за прототип — датчике давления, состоящем из мембранного чувствительного элемента с утолщенной периферийной частью, закрепленной в корпусе, двух волоконно-оптических преобразователей (ВОП), выполненных каждый в виде излучающего и приемного световодов с источником света и фотоприемником, причем концы световодов закреплены в плате, а их торцы установлены в одной плоскости, Световоды первого

ВОП установлены напротив жесткого центра мембраны, а световоды второго ВОП— напротив утолщенной периферийной части, мембраны. Кроме того, датчик содержит между световодами первого и второго ВОП еще и кольцевую светозащищенную перегородку.

Недостаток известного устройства — пониженная чувствительность его.

В самом деле, чувствительность мембранного датчика можно оценить по формуле

W 3 q+1 — t b

16р Eh где W — прогиб мембраны в центре;

Р— измеряемое давление, q — интенсивность нагрузки;

v, Š— коэффициент Пуанссона и модуль упругости материала мембраны соответственно;

b h — радиус и толщина мембраны, соответственно.

Как видно из (2), чувствительность мембранного датчика тем выше, чем больше диаметр мембраны 2Ь и меньше ее толщины h, А это означает, что для малогабаритных датчиков предельные размеры диаметра мембраны приводят к существенному ограничению чувствительности, Значительное уменьшение h также ограничивается верхним пределом измеряемых давлений из соображений необходимой прочности мембраны.

Из этого следует, что классический мембранный чувствительный элемент в известном устройстве имеет явно недостаточную чувствительность, особенно для малогабаритных датчиков. Кроме того, область применения датчиков существенно ограничена невысоким верхним пределом диапазона измеряемых давлений.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности, а также повышение стабильности параметров датчика.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что датчик давления, содержащий мембранный чувствительный элемент с периферийной частью, закрепленной в корпусе, первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), выполненные каждый в виде излучающего и приемного световодов с источником света и фотоприемником, включает в себя пластинчатый упругий элемент, свободно опирающийся одним заостренным концом в утолщение центра мембранного чувствительного элемента, а другим — в опору, образованную в утолщении корпуса и имеющей в централь-. ной части отражающие поверхности с обеих сторон, причем излучающие и приемные световоды обоих ВОП установлены соосно по двум параллельным осям, перпендикулярным поверхности пластинчатого элемента, а торцы световодов параллельны поверхности пластинчатого упругого элемента и направлены друг навстречу другу, выходы фотоприемников обоих ВОП подключены к входу определителя отношений электрических напряжений, выход которого подсоединен к регистрирующему устройству, причем меMáðàнный чувствительный

1797701 элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения. Дополнительно к этому входы излучающих световодов обоих ВОП подсоединены к выходу светоделителя, на входе которого установлен общий источник излу.чения, В предлагаемом решении появляются свойства, обусловленные совокупностью взаимозависимых признаков, перечисленных в предыдущем образце. Не обнаружены другие решения, содержащие признаки, сходные с признаками предлагаемого решения, Заявитель и автор считают предлагаемое решение обладающим существенными отличиями.

На чертеже изображен пример реализации предлагаемого датчика давления, Датчик состоит из мембранного чувствительного элемента 1, закрепленного в корпусе 2, первого волоконно-оптического преобразователя (ВОП), включающего в себя излучающий 3 и приемный 4 световоды, источник света 5 (общий для обоих ВОП), фотоприемник 6 с усилителем 7, второго

ВОП, включающего в себя излучающий 8, приемный 9 световоды, фотоприемник 10 с усилителем 11, светоделитель 12, пластинчатый упругий элемент 13, определитель отношений электрических напряжений 14, регистрирующее устройство 15, поджимной винт-опору 16 и ограничители 17. Поджимной винт-опора 16 предназначен для автоматической выборки зазоров, которые могут возникать между заостренным концом пластинчатого упругого элемента 13 и утолщением центра мембранного чувствительного элемента 1. Ограничители 17 предусмотрены для исключения произвольности прогиба пластинчатого упругого элемента 13. С их помощью прогиб возможен только в одну сторону — это необходимо для надежности работы датчика.

Датчик давления работает следующим образом.

Вызванная давлением деформация мембранного чувствительного элемента 1 передается на пластинчатый упругий элемент 13. и изгибает его, Благодаря наличию ограничителей 17 пластинчатый упругий элемент 13 всегда прогибается в одну и ту же сторону. При этом расстояние между отражающими поверхностями упругого элемента и торцами световодов 3, 4 — с.одной стороны уменьшается, а между отражающей поверхностью и торцами световодов 8, 9 — с другой стороны увеличивается, что приводит к изменению величин отраженных потоков излучения на выходах из светоет получить в предложенном решении

50 положительные эффекты; повышение чувствительности, точности измерений, а также стабильности параметров датчика.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий мембранный чувствительный элемент с перфорированной частью, закрепленной в корпусе, первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), каждый из которых выполнен в виде излучающего и приемного световодов с общим источником света и фо10

40 водов, которые принимается фотодиодами 6 и 10, усиливаются усилителями фототока 7 и

11 и сравниваются в определителе отношений электрических напряжений 14. Ðåзультат сравнения отображается на регистрирующем устройстве 15.

Предложенное решение позволяет получить следующие положительные эффекты по сравнению с известными — повышение чувствительности и точности, Повышение чувствительности достигается благодаря включению в устройство, кроме других, упругого пластинчатого элемента 13. Давление среды воздействует на мембранный чувствительный элемент 1, который кинематически без зазоров связан с упругим пластинчатым элементом 13, деформирующимся при действии этого давления, При этом перемещение центра мембранного чувствительного элемента 1 трансформируется в существенно больший по величине прогиб упругого пластинчатого элемента 13.

Величина прогиба элемента зависит от его длины, Повышение точности измерений в предложенном решении достигается компенсацией температурных погрешностей благодаря двум конструктивным особенностям предложенного устройства; мембранный чувствительный элемент, корпус которого и пластинчатый упругий элемент выполнены из материала с одинаковым коэффициентом теплового расширения; в устройство введен определитель отношений электрических напряжений, благодаря которому изменение расстояния между торцами световодов и поверхностью пластинчатого упругого- элемента при изменении температуры будет компенсироваться автоматически. Кроме того, применение определителя отношений совместно с общим для обоих BOil источником излучения позволяет избавиться от временной нестабильности применяемого источника излучения.

Совокупность упомянутых взаимозависимых конструктивных, признаков позволя1797701

Составитель В.Акопьян

Техред M.Moðãåíòàë Корректор M.Òêà÷

Редактор О,Стенина

Заказ 669 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 415

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 101 топриемником, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности. мембранный чувствительный элемент выполнен с утолщением в центральной части, на которую свободно опирается одним. концом введенный пластинчатый упругий элемент с отражающими поверхностями, другой конец которого жестко скреплен с корпусом, а излучающие и приемные световоды обоих ВОП установлены соосно по разные стороны пластинчатого упругого элемента перпендикулярно его поверхностям, при этом мембранный чувствительный

5 элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения.