Оптический детектор разности давлений



Оптический детектор разности давлений
Оптический детектор разности давлений
Оптический детектор разности давлений
Оптический детектор разности давлений
Оптический детектор разности давлений
Оптический детектор разности давлений
Оптический детектор разности давлений
Оптический детектор разности давлений

 


Владельцы патента RU 2547896:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности оптического детектора разности давлений. Оптический детектор разности давлений содержит 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. 2 з.п. ф-лы. 8 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления.

Известен волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, прокладку, на которую опирается втулка, рабочий и дополнительный жгуты подводящих и отводящих оптических волокон, общие торцы которых закреплены во втулке, мембрану радиусом R с зеркальной поверхностью, которая установлена относительно общего торца рабочего жгута с зазором x0, общий торец дополнительного жгута, расположенный напротив зеркальной поверхности мембраны с зазором х0, оптические оси подводящих и отводящих оптических волокон дополнительного жгута, расположенные относительно оптических осей подводящих и отводящих оптических волокон рабочего жгута соответственно на расстоянии А, определяемом выражением:

A = [ ( ( d O B r C ) x 0 W + 2 x 0 t g θ N A ) cos ( θ N A + 2 α ) sin 2 ( θ N A + α ) x 0 cos θ N A ] cos ( θ N A + α ) sin α + R x 0 t g θ N A r C

где rc - радиус сердцевины оптического волокна, α - максимальный угол прогиба мембраны, W - максимальный прогиб центра мембраны, x0=dOB/2tgθNA, где dOB, θNA - диаметр и апертурный угол оптического волокна соответственно. Патент Российской Федерации №2308689, МПК: G01L 11/02, G01L 19/04, 2007 г.

Недостатком аналога является пониженная точность, что связанно с используемым в датчике материалом мембраны. Как известно, основным недостатком металлических упругих элементов, является гистерезис.

Известен волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, подводящие и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых с зазором установлена кварцевая мембрана, жестко закрепленная в штуцере, кольцевую прокладку толщиной, равной длине волны источника излучения, волокна, вклеенные в корпусе на расстоянии друг от друга, свободные концы которых выступают над поверхностью корпуса, кольцевую прокладку, выполненную в виде металлической пленки, напыленной по периметру, введенную деталь с треугольником в сечении с углом при вершине 2θ с боковым углублением, повторяющим форму и размеры оптических волокон, металлическую крышку с центральным сквозным отверстием шириной, равной диаметру оптического волокна dOB и длиной а, определяемой выражением a=2dOBtgθ, расположенную и жестко закрепленную между корпусом и штуцером, прижимающую оптические волокна к детали с треугольником в сечении, оптические волокна, расположенные выше крышки, срезанные и отполированные под определенным углом к продольной оси волокон. Патент Российской Федерации №2253850, МПК: G01L 11/02, G01L 19/04, 2005 г. (прототип).

Недостатком прототипа является пониженная точность из-за трудностей в реализации сложных технологических и измерительных операций, необходимых для изготовления датчика.

Технический результат изобретения - повышение точности оптического детектора разности давлений.

Технический результат достигается тем, что в оптическом детекторе разности давлений, содержащем 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.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-8.

На фиг.1 схематично представлен оптический детектор разности давлений, где: 1 - левый световод, 2 - правый световод, 3 - шток, 4 и 5 - упругие элементы, 6 - корпусной элемент, 7 - опорная поверхность, 8 - камера для приема измеряемого давления P1, 9 - камера для приема измеряемого давления Р2.

На фиг.2 схематично представлено расположение сечений световодов, при совпадении положения осей левого световода 1 и правого световода 2 соответственно с левой и правой границами отражающей поверхности 10.

На фиг.3 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении левого световода 1 относительно левой границы отражающей поверхности 10.

На фиг.4 схематично представлено расположение сечений световодов, при крайнем положении правого световода 2 относительно правой границы отражающей поверхности 10.

На фиг.5-7 представлены графики изменения интенсивности световых потоков, отраженных от поверхности 10 при смещениях штока 3 в пределах величины ±Δ, относительно торцов левого 1 и правого 2 световодов, где:

Iо.св.1 - интенсивность отраженного светового потока, направленного в левый световод 1,

Iо.св.2 - интенсивность отраженного светового потока, направленного в правый световод 2,

Io.c. - интенсивность суммарного отраженного светового потока. Величина интенсивности светового потока выражена в относительных единицах.

На фиг.8 представлен график изменения разностного сигнала, сформированного отраженными световыми потоками левого 1 и правого 2 световодов при смещениях штока 3, где:

Up. - величина разностного сигнала, выраженная в относительных единицах.

Оптический детектор разности давлений содержит камеру 8 для приема измеряемого давления P1 и камеру 9 для приема измеряемого давления Р2.

Посредством упругих элементов 4 и 5, соосно закрепленных в камерах 8 и 9 соответственно, давление передают на шток 3, расположенный внутри корпусного элемента 6 и жестко закрепленный между центрами упругих элементов 4 и 5. В центральной части штока 3 сформирована отражающая поверхность 10. Левый 1 и правый 2 световоды закреплены в корпусном элементе 6 между камерами 8 и 9.

Отражающая поверхность 10 строго ориентирована относительно торцов левого 1 и правого 2 световодов, а именно продолжения осей указанных световодов пересекают ее левую и правую границы.

В исходном положении оси левого световода 1 и правого световода 2 соответственно совпадают с левой и правой границами отражающей поверхности 10 (фиг.2). При отсутствии разности давлений половина светового потока, направленного из левого 1 и правого 2 световодов на эту отражающую поверхность 10, отражается обратно, а вторая половина потока рассеивается. В качестве световодов 1 и 2 использованы оптоволоконные жгуты, представляющие собой тонкую трубку, в которой находится несколько сотен оптических многомодовых волокон. Световой поток при этом коллимирован для того, чтобы максимально исключить световые потери из-за расходимости света.

Оптический детектор разности давлений работает следующим образом.

Давления P1 и Р2 подают соответственно в камеры 8 и 9. Упругими элементами 4 и 5 давления измеряемой среды в камерах 8 и 9 преобразуют в линейные смещения штока 3, закрепленного между центрами упругих элементов 4 и 5. Смещения штока 3 приводят к смещениям отражающей поверхности 10, сформированной в центральной его части, в пределах величины ±Δ.

Смещения отражающей поверхности 10 определяют площади отражения световых потоков левого 1 и правого 2 световодов (фиг.2-4).

Изменения отраженных световых потоков для левого 1 и правого 2 световодов имеют обратную зависимость: если интенсивность отраженного потока для левого световода 1 увеличивается (фиг.5), интенсивность отраженного потока для правого световода 2 уменьшается (фиг.6) и наоборот. Анализ разности значений интенсивностей отраженных световых потоков (фиг.8) позволяет определить величину смещения штока 3, которая пропорциональна разности давлений в камерах для приема измеряемого давления 8 и 9.

Сигналы с обратно зависимыми значениями интенсивности отражения для каждого световода 1 и 2 исключают учет потерь, из-за старения оптической линии передачи сигнала. Калибровка оптического детектора разности давлений, при которой суммарный отраженный поток с обоих световодов 1 и 2, при любом смещении штока в пределах величины ±Δ, принят равным значению "единица" (фиг.7), повышает точность измерений и увеличивает сроки эксплуатации оптического детектора разности давлений. Для устойчивости оптического детектора разности давлений к воздействиям односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением корпусной элемент 6 снабжен опорными поверхностями 7.

Для повышения точности и термостойкости при использовании оптического детектора разности давлений в высокотемпературных средах его конструктивные элементы изготовлены из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты температурного расширения. Упругие элементы 4 и 5, шток 3 и некоторые другие детали изготовлены из монокристаллического кремния.

1. 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, отличающийся тем, что 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.

2. Оптический детектор разности давлений по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы изготовлены из монокристаллического кремния.

3. Оптический детектор разности давлений по п.1 или 2, отличающийся тем, что конструктивные элементы изготовлены из материалов с близкими коэффициентами температурного расширения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам разности давления, и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относятся к измерительной технике и предназначено для измерения давления (как статического, так и динамического) газов и жидкостей. Датчик давления состоит из записанной на оптическом световоде по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), мембраны, корпуса, при этом мембрана жестко прикреплена к световоду и имеет возможность движения по осевой линии относительно корпуса, оптический световод жестко прикреплен к торцу корпуса по его осевой линии.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения давления. Устройство содержит широкополосные полупроводниковые светодиоды, Y-образные волоконно-оптические разветвители и резонаторы Фабри-Перо.

Группа изобретений относятся к исследованиям скважин и может быть использована для мониторинга внутрискважинных параметров. Техническим результатом является оптимизация, автоматизация, повышение эффективности процесса добычи нефти, в т.ч.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при конструировании и в процессе сборки волоконно-оптических датчиков давления на основе оптического туннельного эффекта.

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям. .

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения давления. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения давления. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к универсальным оптическим первичным преобразователям амплитудного типа, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления (в т.ч. разности давлений), вибраций, деформаций, перемещений и силы. Преобразователь механических величин в оптический сигнал включает упругую трубку-капилляр, закрепленную на несущем фланце с зажимом, рычаг для восприятия измеряемой физической величины, размещенный на упругой трубке-капилляре, внутри упругой трубки-капилляра расположены неподвижное основание. При этом световоды закреплены на противолежащих сторонах неподвижного основания, а светоотражающий элемент размещен на регулирующем винте, при этом границы светоотражающего элемента совпадают с осями световодов. Технический результат - расширение области применения и диапазона измеряемых физических величин, упрощение технологии изготовления, повышение ремонтопригодности и точности измерений. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения разности давления в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники, АЭС, нефтегазовой отрасли и др. Устройство содержит корпус, в котором установлены металлические мембраны плюсовой и минусовой камер, имеющие жесткие центры, соединенные между собой штоком с отверстием, соосно с которым расположены подводящий и отводящие оптические волокна двух измерительных каналов. В приемном торце жгута отводящих волокон расположены приемные торцы отводящих оптических волокон. При этом корпус выполнен из двух частей, один торец которых предназначен для крепления на объекте, во внутренней полости корпусов расположена вновь введенная несущая деталь, в углублениях которой закреплены мембраны. Корпуса плюсовой и минусовой камер и несущая деталь жестко соединены между собой, поверх данного соединения установлено кольцо, имеющее прорезь для установки оптических волокон в центральной части несущей детали и для крепления втулки со жгутом оптических волокон, один торец которой повторяет контур прорези кольца. Корпус, кольцо и втулка со жгутами волокон жестко и герметично соединены между собой, а шток выполнен с боковыми выемками, внутри которых выполнена шторка, в центре которой расположено отверстие, причем высота выемок больше или равна высоте шторки. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давлений. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям, в частности к оптическим датчикам давления и температуры, в конструкции которых использованы оптические волокна. Устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости содержит корпус датчика, мембрану, жестко прикрепленную к торцу корпуса, волоконно-оптический световод с защитным покрытием, расположенный в корпусе, по меньшей мере, одну дифракционную решетку Брэгга, нанесенную на волоконно-оптический световод, и волоконно-оптический кабель, закрепленный в корпусе и соединенный с системой обработки сигнала. Устройство снабжено, выполненным на торце корпуса со стороны мембраны, средством соединения с напорным устройством, по меньшей мере, одной структурой с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга, выполненной на поверхности мембраны внутри корпуса датчика. Волоконно-оптический световод соединен с волоконно-оптическим кабелем и прикреплен к корпусу и к мембране с образованием подмембранной полости. При этом, по меньшей мере, одна дифракционная решетка Брэгга, нанесенная на волоконно-оптический световод, расположена вне зоны крепления световода к корпусу. Система обработки сигнала содержит соединенные волоконно-оптическим кабелем оптический разветвитель, полупроводниковый источник света, оптический анализатор спектра и соединенный с ним регистратор. 2 н. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала. При этом датчик снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом. Нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное плечо датчика образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное плечо датчика образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой. Технический результат - обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. При этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса и выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами и выполнено с решетками Брега. Пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны. Техническим результатом является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится в области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине. Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления содержит кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, закрепленное на кремниевом мембранном упругом элементе с возможностью перемещения вместе с жестким центром кремниевого мембранного упругого элемента пропорционально измеряемому давлению, и фотоприемник, причем в него введен дополнительный фотоприемник, при этом оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и размещены на отдельной кремниевой пластине, закрепленной параллельно указанному кремниевому мембранному упругому элементу. Технический результат - создание сенсора, имеющего монотонную преобразовательную характеристику с уменьшенной нелинейностью преобразовательной характеристики. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Фотоэлектрический сенсор давления содержит упругий элемент в виде основного профилированного кремниевого кристалла с опорной рамкой, измерительной квадратной диафрагмой с жестким центром и V-канавкой, проходящей по оси симметрии опорной рамки и жесткого центра через одну из сторон рамки, в которой расположено и клеевым способом закреплено оптоволокно, один принимающий излучение конец которого расположен за пределами упругого элемента, и интегральный фотодиод, при этом в фотоэлектрический сенсор давления согласно изобретению введены дополнительный кремниевый кристалл с двумя отверстиями, дополнительный интегральный фотодиод, две вспомогательные V-канавки, цилиндрические направляющие и U-канавка, над которой расположен другой свободный излучающий конец оптоволокна и которая проходит по оси симметрии опорной рамки, пересекая другую противоположную сторону рамки, и ширина которой больше размера фотодиода, оба фотодиода расположены на дополнительном кристалле один над другим, разделены узким промежутком и включены дифференциально, на диоды направлен излучающий конец оптоволокна, а сам дополнительный кристалл прикреплен к внешнему краю опорной рамки упругого элемента перпендикулярно плоскости измерительной квадратной диафрагмы, а точная оптическая центровка конструкции сенсора достигается с помощью отверстий на дополнительном кристалле, в которые входят цилиндрические направляющие, закрепленные во вспомогательных V-канавках, расположенных на опорной рамке упругого элемента по обе стороны от оптоволокна. Изобретение позволяет уменьшить нелинейность преобразовательной характеристики и начальный выходной сигнал. 3 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для преобразования газоструйного сигнала в электрический. Устройство преобразования газоструйного сигнала в оптический содержит источник и приемник светового потока, проходящего через щелевой канал, в котором располагается вдоль этого канала гибкая лента, поглощающая или отражающая световой поток, закрепленная одним концом в этом канале. Причем в этом щелевом канале относительно закрепленной ленты расположены подводящие каналы, по которым попеременно подаются газоструйные сигналы, под воздействием которых гибкая лента перемещается в щелевом канале, воздействуя на световой поток, излучаемый источником и воспринимаемый приемником светового потока. Техническим результатом является увеличение быстродействия преобразования. 3 ил.
Наверх