Оптический измеритель давления

 

Оптический измеритель давления используется при конструировании приборов и систем метрологического контроля и обеспечивает повышение точности измерения за счет снижения чувствительности к температурным воздействиям и внешним возмуще-ниям. Оптический измеритель давления, содержит корпус, внутри которого размещены чувствительный элемент, включающий шток, связанный с делящими корпус на три камеры мембранными узлами, и оптическое устройство, соединенное с волоконно-оптическим кабелем. Оптическое устройство выполнено в виде интерферометра Майкельсона, светоделитель которого представляет собой составной кубик, а подвижный и неподвижный отражатели - триппель-призмы; при этом подвижный отражатель жестко связан со штоком, а шток снабжен пружинами, закрепленными между мембранными узлами и торцевыми стенками корпуса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при конструировании приборов и систем метрологического контроля, в частности, для магистральных газопроводов.

Известен ряд устройств [1 - 3], в которых основным элементом измерителя давления служат волоконно-оптические преобразователи. Основу таких устройств составляет отрезок оптического волокна, соединяемый с чувствительным к изменению давления элементом, например, с мембраной из кварца, керамики или другого оптического материала. Подводимое через одну из жил волокна оптическое излучение отражается от мембраны и меняет свои параметры в зависимости от изменения ее геометрии или положения, которые в свою очередь определяются величиной измеряемого давления.

В частности, в патенте [1] таким параметром является интенсивность флюоресцентного излучения, возбуждаемого в кристалле рубина, служащем в качестве чувствительного элемента. Патент [2] защищает конструкцию датчика давления на основе мембраны, соединенной со светофильтром, коэффициент пропускания которого зависит от перемещения мембраны. Величина измеряемого давления получается путем сравнения интенсивностей излучения различных длин волн.

В патенте [3] описан датчик, в котором давление преобразуется в линейное перемещение зеркала. В результате этого меняется положение светового пучка относительно площадки фотоприемника, что ведет к изменению интенсивности выходного сигнала.

К достоинствам рассмотренных измерителей следует отнести отсутствие контакта преобразующего элемента с измеряемой средой, что существенно при работе с взрывоопасной средой. К недостаткам относится существенная зависимость преобразователей от температуры, в связи с чем возникает необходимость применения дополнительных устройств термостабилизации, возможных для использования в газовой среде. Температурный дрейф оптических параметров рассмотренных аналогов не обеспечивает должным образом повторяемость выборок измерения и их воспроизводимость, увеличивая тем самым погрешность рассмотренных датчиков.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является оптический измеритель разности давления [4] с волоконно-оптическим преобразователем и температурной компенсацией. Прототип содержит корпус, разделенный на три камеры (две противокамеры и основную полость), и чувствительный элемент, включающий отрезок оптического волокна, две мембраны и шток, жестко связанный с мембранами и отрезком волокна. Вследствие разности давлений в противокамерах возникает изгиб отрезка волокна, в результате чего меняются параметры анализируемого светового сигнала. Частичная температурная компенсация оптических параметров происходит благодаря применению дифференциальной схемы построения датчика давлений.

Недостатки прототипа обусловлены как оптической, так и механической частями измерителя. Что касается оптической части, то выполнение чувствительного элемента в виде отрезка волокна приводит к значительному снижению точности измерения давления. В первую очередь, это вызвано нелинейной зависимостью изгиба поверхности волокна от измеряемого давления, приводящей к нелинейному изменению угла полного внутреннего отражения. Нелинейность выходной характеристики приводит к необходимости проведения дополнительных калибровок, что сказывается на стоимости применяемого устройства. Кроме того, при определенных давлениях возможно нарушение условия полного внутреннего отражения, что может привести к полной потере сигнала.

В прототипе также окончательно не решена проблема термокомпенсации измерения, так как волокно обладает определенным коэффициентом линейного расширения, не учитывать который при измерениях нельзя. Таким образом, в прототип необходимо вводить дополнительное устройство термокомпенсации, или учитывать изменение температуры машинными методами.

Кроме того, сам отрезок волокна представляет собой консоль, возмущающие воздействия на которую вносят дополнительные погрешности в измерение давления.

Что же касается механической части устройства, то главный ее недостаток связан с отсутствием у системы жесткого центра. В этом случае вибрации, действующие на шток во всех плоскостях, вызовут суммарный изгиб оптического преобразователя, что приведет к возникновению случайной погрешности измеряемого давления.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения за счет снижения чувствительности к температурным воздействиям и внешним возмущениям в процессе его эксплуатации.

Изложенная техническая задача достигается благодаря тому, что в оптический измеритель давления, содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, включающий шток, связанный с делящими корпус на три камеры мембранными узлами, и оптическое устройство, соединенное с волоконно-оптическим кабелем, введен интерферометр Майкельсона, светоделитель которого выполнен в виде составного кубика, подвижный и неподвижный отражатели - в виде триппель-призм, а подвижный отражатель жестко связан со штоком. При этом шток с противоположных концов снабжен пружинами, которые закреплены между мембранными узлами и торцевыми стенками корпуса.

Сопостовительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый измеритель отличается выполнением оптического устройства в виде интерферометра Майкельсона и наличием на противоположных концах штока упорных пружин. Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения измерителя благодаря наличию новых признаков позволит обеспечить получение технического результата, выражающегося в повышении точности измерения за счет снижения чувствительности к температурным воздействиям и внешним возмущениям в процессе его эксплуатации.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема заявляемого оптического измерителя давления, на фиг. 2 - функциональная схема оптического устройства измерителя.

Измеритель (фиг. 1) состоит из двух основных узлов: корпуса 1 и размещенного внутри его чувствительного элемента 2. Чувствительный элемент 2 включаете шток 3, жестко соединенный с мембранными узлами 4 и 5; упорные пружины 6 и 7 и оптическое устройство 8. С помощью мембранных узлов 4 и 5 корпус разделен на три камеры - приемную 9, противокамеру 10, снабженных штуцерами 11 и 12, и основную камеру 13, в которой размещено оптическое устройство 8.

Жесткое крепление штока 3 с мембранными узлами 4 и 5 камер давления 9 и 10 обеспечивает измерение перепада давлений газа, заполняющего эти камеры. В этом и состоит универсальность заявляемого измерителя. В случае измерения давления относительно нулевого значения речь идет об измерителе абсолютного давления; если же давление приемной камеры 9 приводится к атмосфере, то измеритель работает по избыточному давлению.

Для создания жесткого центра конструкции в измерителе используются две упорные пружины 6 и 7. Одна из сторон каждой пружины связана с соответствующим мембранным узлом, другая же упирается в стенки корпуса 1. Функционально пружины сглаживают вибрации, перпендикулярные оси движения штока. Колебания штока вдоль оси остаются, но в результате осреднения измерений их воздействие сводится к нулю. Симметричное расположение пружин в конструктиве измерителя сглаживает воздействие термоэффектов.

Основной элемент измерителя - оптическое устройство 8 (фиг. 2) содержит волоконно-оптический кабель 14 с входной 15 (для подвода монохроматического излучения) и выходной 16 (для вывода светового сигнала) жилами. Входная 15 и выходная 16 жилы через согласующие линзы 17 и 18 связаны с интерферометром Майкельсона 19. Интерферометр Майкельсона 19 состоит из светоделителя 20, подвижного 21 и неподвижного 22 отражателей. Подвижной отражатель 21 жестко закреплен на штоке 3.

Светоделитель 20 выполнен в виде составного кубика в целях повышения механической и термической устойчивости интерферометра, а также упрощения его крепления. Кроме того, такая конструкция придает ему симметрию относительно плоскости светоделения, что очень важно при температурной компенсации. Кубик склеен из двух прямоугольных призм с полупрозрачным для излучения слоем на гипотенузной грани одного из них. Отражатели 21 и 22 выполнены в виде триппель-призм, изготовленных, например, из кварца. К изготовлению светоделителей и отражателей особых требований не предъявляется. Достаточным условием является неперпендикулярность граней всех элементов интерферометра 19 на уровне единиц угловых минут на базе порядка 5 мм. Подвижный отражатель 21 перемещается вместе со штоком 3 под действием перепада давления.

Описываемый измеритель давления работает следующим образом.

Оптическое излучение от источника (для заявляемого измерителя это гелий-неоновый лазер, не показанный на чертеже) подается по входной жиле 15 волоконно-оптического кабеля 14 и через согласующую линзу 17 попадает на интерферометр 19 оптического устройства 8, расположенного внутри основной камеры 13 корпуса 1. Полученный сигнал излучения, в котором заложена информация об измеряемом давлении, попадает от интерферометра 19 на выходную жилу 16 через соответствующую согласующую линзу 18 и регистрируется фотоприемником (на чертеже не показан) на противоположном конце кабеля.

При отсутствии разности давления газа в камерах 9 и 10, подаваемого через штуцера 11 и 12, плечи интерферометра 19 будут уравновешены и сигнал на выходе фотоприемника, содержащий информацию о давлении, отсутствует. В случае подачи измеряемого давления в приемную камеру 9, оно воздействует на чувствительный элемент 2, положение которого определяется пружинами 6 и 7, установленными между торцевыми стенками корпуса 1 и мембранными узлами 4 и 5. При этом положение подвижного отражателя 21, жестко закрепленного со штоком 3, изменяется относительно точки равновесия. При этом возникают интерференционные полосы излучения, интенсивность которых меняется при движении отражателя 21 в зависимости от разности хода лучей в обоих плечах интерферометра 19. Считывая с помощью фотоприемника количество максимумов получаемой интерферограммы можно получить разность хода с точностью λ/2 λ - - длина волны излучения лазера). В виду того, что величина перемещения подвижного отражателя 21 напрямую зависит от перемещения штока 3, которое, в свою очередь, определяется подаваемым давлением, по количеству максимумов интенсивности можно будет судить о величине измеряемого давления. Таким образом, при прямой пропорциональности давления от разности хода интерферометра точность измерения последнего будет определяться величиной λ/2 . Характеристическая зависимость разности хода лучей от перепада давления определяется величиной жесткости пружин 6 и 7.

В силу того, что отражатели 21 и 22 интерферометра 19 выполнены в виде триппель-призм, он абсолютно нечувствителен к разъюстировке. Даже при большом угловом смещении (до единиц угловых градусов) одного отражателя относительно другого, отраженные лучи в обоих плечах будут возвращаться в ту же точку светоделителя 20, откуда они пришли. Единственное ограничение, налагаемое на интерферометр 19 в этой части, является виньетирование светового луча подвижным отражателем 21, что возможно лишь теоретически.

Что касается теплового воздействия на рассматриваемый измеритель, то в силу симметрии плеч интерферометра 19 и обоих частей составного светоделителя 20, тепловое воздействие на них будет равнозначно. Вследствие этого произойдет взаимная компенсация возможных температурных эффектов и они не окажут никакого воздействия на определение измеряемого параметра. Кроме того, при изготовлении пружин из одного и того же материала (даже из одной и той же заготовки), их симметричное расположение компенсирует воздействие термоэффектов на элементы конструкции.

Таким образом, предлагаемое техническое решение оптического измерителя давления благодаря наличию новых признаков обеспечивает получение технического результата, выражающегося в повышении точности измерения за счет снижения чувствительности к температурным воздействиям и внешним возмущениям в процессе его эксплуатации.

Формула изобретения

1. Оптический измеритель давления, содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, включающий шток, связанный с делящими корпус на три камеры мембранными узлами, и оптическое устройство, соединенное с волоконно-оптическим кабелем, отличающийся тем, что оптическое устройство выполнено в виде интерферометра Майкельсона, светоделитель которого представляет собой составной кубик, а подвижный и неподвижный отражатели - триппель-призмы, при этом подвижный отражатель жестко связан со штоком.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что шток с противоположных концов снабжен пружинами, которые закреплены между мембранными узлами и торцевыми стенками корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2