RU127461U1

RU127461U1 - PRESSURE DIFFERENCE SENSOR

Info

Publication number: RU127461U1
Application number: RU2012152681/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Даниленко; Дмитрий Владимирович Панфёров; Дмитрий Иванович Уткин
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-04-27

Abstract

Датчик разности давлений, содержащий корпус с профилированными поверхностями под мембраны, мембраны, преобразователь давления, штуцеры, две камеры и шток, отличающийся тем, что преобразователь давления 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 преобразователя давления.A pressure differential sensor comprising a housing with profiled surfaces for membranes, membranes, a pressure transducer, fittings, two chambers and a rod, characterized in that the pressure transducer is made in the form of a beam with a deformation zone with an optical fiber fixed to it, the measuring channel is formed at least at least two fiber Bragg gratings, with at least one of the gratings located outside the zone of the measured strain of the pressure transducer.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к измерению давления жидкостей и газов с использованием волоконно-оптического чувствительного элемента, кодирующего измеряемую информацию путем изменения спектральных характеристик оптического излучения.The utility model relates to measuring technique, namely to measuring the pressure of liquids and gases using a fiber optic sensing element that encodes the measured information by changing the spectral characteristics of optical radiation.

Известен емкостный датчик разности давлений, содержащий корпус с приемными штуцерами, размещенную в корпусе мембрану со штоком, связанным с тонкостенкой разделительной втулкой, консольно закрепленной в корпусе, емкостный преобразователь с подвижным и неподвижными электродами и расположенный в полости разделительной втулки стержень, один конец которого прикреплен к ее торцу, а на другом его конце закреплен подвижный электрод преобразователя, шток выполнен составным из жесткой части, соединенной с центром мембраны, и гибкой части, соединенной с торцом разделительной втулки с соотношением жесткостей частей соответственно 10:1, при этом соотношение длины стержня и длины разделительной втулки составляет 1:5. Патент Российской Федерации №2010198, МПК: G01L 9/12, 30.03.1994 г.A capacitive differential pressure sensor is known, comprising a housing with receiving fittings, a membrane located in the housing with a rod connected to a thin-walled dividing sleeve, cantileverly mounted in the housing, a capacitive transducer with movable and fixed electrodes and a rod located in the cavity of the dividing sleeve, one end of which is attached to its end face, and on its other end a movable electrode of the transducer is fixed, the rod is made up of a rigid part connected to the center of the membrane and a flexible part connected nennoy with the end of the separation sleeve parts stiffness ratio of 10: 1, the ratio of the rod length and dividing the length of the sleeve is 1: 5. Patent of the Russian Federation No. 201098, IPC: G01L 9/12, 03/30/1994

Известен датчик разности давлений газовоздушных сред, содержащий основание с подводящими штуцерами, на котором закреплены два чувствительных элемента, связанных между собой штоком, скрепленным с одним концом соединительного элемента, расположенного перпендикулярно оси штока, при этом другой его конец закреплен на пластине с тензорезисторами, установленной перпендикулярно соединительному элементу, в него введены корпус, шарнирная тяга и два гибких рукава, при этом тяга одним концом прикреплена к основанию, а другим - к корпусу и расположена перпендикулярно оси штока, каждый из гибких рукавов с одной стороны связан с подводящим штуцером, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде мембранной коробки, неподвижным дном закрепленной на основании, а подвижным дном связанной со штоком, при этом полости мембранных коробок сообщены с полостями штуцеров. Патент Российской Федерации №2026541, МПК: G01L 13/02, 09.01.1995 г.A known gas pressure difference sensor containing a base with inlet fittings, on which two sensing elements are fixed, interconnected by a rod fastened to one end of a connecting element located perpendicular to the axis of the rod, while its other end is mounted on a plate with strain gages mounted perpendicularly the connecting element, the housing, the articulated rod and two flexible sleeves are inserted into it, while the rod is attached to the base with one end and the housing with the other wife perpendicular to the rod axis, each of the flexible hoses on the one hand connected to a supply fitting, wherein each sensitive element is a diaphragm box, fixed bottom attached to the base, and a movable bottom coupled to the rod, the cavity membrane boxes communicated with cavities fittings. Patent of the Russian Federation No. 2026541, IPC: G01L 13/02, 01/09/1995

Известен датчик, содержащий преобразователь давления и электронный преобразователь. Тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, размещен внутри основания и замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами, приваренными по наружному контуру к основанию и соединенными между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя с помощью тяги. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя. Датчик разности давлений Метран-22 АС. Руководство по эксплуатации СПГК. 1529.000 РЭ, стр.45 п.1.3.8, Челябинск 2009. Датчик чувствителен к электромагнитным помехам, что понижает точность его измерений. Прототип.A known sensor containing a pressure transducer and an electronic transducer. The membrane-type strain gauge transducer is located inside the base and in the closed cavity filled with organosilicon liquid and is separated from the medium by corrugated metal membranes welded along the outer contour to the base and interconnected by a central rod, which is connected to the end of the strain gauge lever by means of a rod. The sensitive element of the strain gauge is a plate made of single-crystal sapphire with silicon film strain gauges (KNS structure) connected to the metal membrane of the strain gauge. Pressure difference sensor Metran-22 AC. Operation manual LNG. 1529.000 RE, p. 45 p.1.3.8, Chelyabinsk 2009. The sensor is sensitive to electromagnetic interference, which reduces the accuracy of its measurements. Prototype.

Полезная модель устраняет указанные недостатки.The utility model eliminates these disadvantages.

Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения.The technical result of the utility model is to increase the measurement accuracy.

Технический результат достигается тем, что в датчике разности давлений, содержащем корпус с профилированными поверхностями под мембраны, мембраны, преобразователь давления, штуцеры, две камеры и шток, преобразователь давления 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.The technical result is achieved in that in a pressure difference sensor containing a housing with profiled surfaces for membranes, membranes, a pressure transducer, fittings, two chambers and a rod, the pressure transducer is made in the form of a beam with a deformation zone with an optical fiber fixed to it, the measuring channel is formed at least two fiber Bragg gratings, while at least one of the gratings is located outside the zone of the measured deformation of the sensing element.

Существо полезной модели поясняется на фиг.1 и фиг.2.The essence of the utility model is illustrated in figure 1 and figure 2.

На фиг.1 схематично представлен волоконно-оптический датчик разности давлений, где: 1 - несущая корпусная деталь, 2 - замкнутая герметичная полость, 3 - мембраны, 4 - преобразователь давления, 5 - штуцеры, 6, 7 - камеры, 8 - оптическое волокно, 9 - центральный шток.Figure 1 schematically shows a fiber-optic differential pressure sensor, where: 1 - a bearing body part, 2 - a closed sealed cavity, 3 - membranes, 4 - pressure transducer, 5 - fittings, 6, 7 - cameras, 8 - optical fiber , 9 - central stock.

На фиг.2 схематично представлен преобразователь давления, где: 8 - оптическое волокно, 10 - измерительная решетка, 11 - подложка преобразователя, 12 - концентратор напряжений, определяющий зону деформации подложки, 13 - область закрепления к корпусу датчика, 14 -область закрепления к центральной части штока, 15 - термокомпенсационная решетка.Figure 2 schematically shows a pressure transducer, where: 8 is an optical fiber, 10 is a measuring grating, 11 is a transducer substrate, 12 is a stress concentrator defining a substrate deformation zone, 13 is a fastening area to the sensor body, 14 is a fastening area to the central parts of the rod, 15 - thermal compensation grid.

Датчик разности давлений содержит преобразователь давления 4, размещенный внутри замкнутой герметичной полости 2 в несущей корпусной детали 1. Замкнутая герметичная полость 2 может быть заполнена гидравлической жидкостью. Преобразователь давления 4 отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 3.The pressure difference sensor comprises a pressure transducer 4 located inside a closed airtight cavity 2 in the bearing body part 1. The closed airtight cavity 2 can be filled with hydraulic fluid. The pressure transducer 4 is separated from the measured medium by metal corrugated membranes 3.

Мембраны 3 приварены по наружному контуру к корпусной детали 1 и соединены между собой центральным штоком 9, который жестко связан с концом упругого элемента волоконно-оптического преобразователя балочного типа 4. Штуцеры 5 приварены к несущей корпусной детали 1.The membranes 3 are welded along the outer contour to the body part 1 and are interconnected by a central rod 9, which is rigidly connected to the end of the elastic element of the beam-type fiber-optic transducer 4. The fittings 5 are welded to the carrier body part 1.

Датчик разности давлений работает следующим образом.The differential pressure sensor operates as follows.

Воздействие измеряемой разности давлений в камерах 6 и 7 вызывает прогиб мембран 3. Перемещения центрального штока 9 передают давление на преобразователь давления 4, который представляет собой упругую подложку преобразователя 11, соединенную с оптическим волокном 8, закрепленным на ней.The influence of the measured pressure difference in the chambers 6 and 7 causes the deflection of the membranes 3. The movements of the central rod 9 transmit pressure to the pressure transducer 4, which is an elastic substrate of the transducer 11 connected to an optical fiber 8 fixed to it.

Область оптического волокна, в которой находится Брэгговская измерительная решетка 10, конструктивно выделена посредством пазов, сделанных в подложке преобразователя 11, для концентрации в них изгибающих напряжений.The region of the optical fiber in which the Bragg measuring grating 10 is located is structurally distinguished by means of grooves made in the substrate of the transducer 11 for the concentration of bending stresses in them.

Под действием сил, изгибающих подложку преобразователя 11, происходит деформация (растяжение или сжатие) Брэгговской измерительная решетки 10, что приводит к изменению ее периода и, следовательно, к изменению спектральных свойств излучения проходящего или отраженного от нее.Under the action of forces bending the substrate of the transducer 11, deformation (tension or compression) of the Bragg measuring grating 10 occurs, which leads to a change in its period and, consequently, to a change in the spectral properties of radiation transmitted or reflected from it.

Далее, от преобразователя давления 4, сигнал передается по оптическому волокну 8 в аппаратуру спектрального анализа для последующей обработки.Further, from the pressure transducer 4, the signal is transmitted through the optical fiber 8 to the spectral analysis equipment for subsequent processing.

Измерительный блок (область датчика, ограниченная мембранами 3) выдерживает без разрушения кратковременное воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечено тем, что при перегрузке одна из мембран 3 ложится на профилированную поверхность корпусной детали 1.The measuring unit (sensor area limited by membranes 3) withstands without destruction the short-term effect of one-sided overload by working overpressure. This is ensured by the fact that during overloading one of the membranes 3 lies on the profiled surface of the body part 1.

Для учета погрешности измерения, вносимой посредством температурного расширения преобразователя давления 4, температурного расширения оптического волокна 8 и материала подложки 11, измерительный канал преобразователя имеет хотя бы одну волоконную Брегговскую измерительную решетку 15, используемую для измерения температуры. Термокомпенсационная Брегговская измерительная решетка 15 сформирована на том же оптическом волокне, что и основная измерительная решетка 10 и аналогична ей, но имеет рабочую длину волны (Брэгговская длина волны) отличную от рабочей длины волны измерительной решетки 10 и расположена в зоне, не восприимчивой к измеряемой деформации упругого элемента 11.To account for the measurement error introduced by the thermal expansion of the pressure transducer 4, the thermal expansion of the optical fiber 8 and the substrate material 11, the measuring channel of the transducer has at least one fiber Bragg measuring grating 15 used for temperature measurement. The temperature-compensating Bragg measuring grating 15 is formed on the same optical fiber as the main measuring grating 10 and is similar to it, but has a working wavelength (Bragg wavelength) different from the working wavelength of the measuring grating 10 and is located in an area not susceptible to the measured strain elastic element 11.

Невосприимчивость термокомпенсационной измерительной решетки 15 к измеряемым деформациям упругой подложки 11 достигается тем, что измеряемая деформация передается посредством концентратора напряжений 13 в зону расположения основной измерительной решетки 10.The immunity of the temperature compensation measuring lattice 15 to the measured strains of the elastic substrate 11 is achieved by the fact that the measured strain is transmitted through the stress concentrator 13 to the area of the main measuring lattice 10.

Таким образом, термокомпенсационная измерительная решетка 15 воспринимает исключительно температурные деформации оптического волокна, соединенного с упругой подложкой 11, которые в равной степени воздействуют на все измерительные решетки 10.Thus, the temperature compensation measuring grating 15 perceives exclusively the temperature deformations of the optical fiber connected to the elastic substrate 11, which equally affect all measuring gratings 10.

Учет температурных воздействий осуществляют путем обработки и программного анализа спектра сигнала, поступающего из преобразователя давления 4 в аппаратуру обработки.Accounting for temperature effects is carried out by processing and program analysis of the spectrum of the signal from the pressure transducer 4 to the processing equipment.

Преобразователь давления 4 может содержать один или более измерительных каналов и иметь более одного оптического волокна с измерительными Брегговскими решетками. При этом участки оптического волокна, содержащие Брегговские измерительные решетки 10, закреплены по разные стороны упругого элемента 11, в результате чего, при изгибе упругого элемента 11, минимум одна из Брэгговских измерительных решеток 10 будет подвергаться растяжению и минимум одна - сжатию.The pressure transducer 4 may contain one or more measuring channels and have more than one optical fiber with measuring Bragg gratings. In this case, the sections of the optical fiber containing the Bragg measuring gratings 10 are fixed on different sides of the elastic element 11, as a result of which, when the elastic element 11 is bent, at least one of the Bragg measuring gratings 10 will undergo tension and at least one will undergo compression.

Возможно, осуществить и резервирование измерительных каналов (в случае повреждения одного из оптических волокон) и достигнуть более точного и достоверного измерения величины смещения центрального штока 9, определяющей разность давлений среды в камерах 6 и 7 (в случае исправного функционирования оптических волокон).It is possible to carry out reservation of the measuring channels (in case of damage to one of the optical fibers) and achieve a more accurate and reliable measurement of the displacement of the central rod 9, which determines the pressure difference of the media in chambers 6 and 7 (in the case of proper functioning of the optical fibers).

Закрепление оптического волокна на упругой подложке 11 обеспечивает возможность его сжатия. Один из возможных вариантов закрепления - «заливка» волокна посредством стеклоприпоя (обеспечивает всестороннюю фиксацию наружной оболочки волокна, исключающую выгибания и повреждения). Оптическое волокно закрепляют на упругом элементе 11.The fastening of the optical fiber on the elastic substrate 11 provides the possibility of compression. One of the possible fixation options is to “fill” the fiber with glass solder (it provides comprehensive fixation of the outer fiber sheath, eliminating bending and damage). The optical fiber is fixed to the elastic element 11.

Claims

A pressure difference sensor comprising a housing with profiled surfaces for membranes, membranes, a pressure transducer, fittings, two chambers and a rod, characterized in that the pressure transducer is made in the form of a beam with a deformation zone with an optical fiber fixed to it, the measuring channel is formed at least at least two fiber Bragg gratings, with at least one of the gratings located outside the zone of the measured strain of the pressure transducer.