RU1797701C - Датчик давлени - Google Patents

Description

ческрго излучени  (ПВО) в стекл нной призме .

Недостаток устройства - существенное уменьшение чувствительности при колебани х температуры внешней среды. Это видно из следующего. Чувствительность оптических преобразователей пр мо пропорциональна удельной глубине модул ции излучени , котора  определ етс  из соотношени 

M 1-exp(-/J-|)f

RSmin,

где Smin, dB, x, R - конструктивные параметры преобразовател  давлени ;

эмпирический коэффициент;

d - длина пути осевых лучей от светоиз- лучающего диода до фотоприемника.

Как видно из (1), глубина модул ции М обратно пропорциональна величине d , котора  существенно зависит от температурного расширител  деталей преобразовател , выполненных, как правило, из материалов с различными коэффициентами теплового расширител  (КТР). Поэтому даже небольшое изменение температуры среды, приводит к значительному нелинейному (величина d в квадрате) изменению значени  М. а следовательно, и к изменению чувствительности , что приводит к по влению больших температурных погрешностей.

Другой существенный недостаток устройства в сложности юстировки его при обеспечении режима ПВО при измерении давлени  сред в широком температурном диапазоне.

Отмеченные недостатки частично устранены в другом известном устройстве, прин том за прототип - датчике давлени , состо щем 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 част мембраны. Кроме того, датчик содержит между световодами первого и второго ВОП еще и кольцевую светозащищенную перегородку .

Недостаток известного устройства - пониженна  чувствительность его.

В самом деле, чувствительность мембранного датчика можно оценить по формуле

W 3 q (1 - fa

3 q (1 - fa bq

p 16 p E h3 где W - прогиб мембраны в центре;

5Р - измер емое давление, q - интенсивность нагрузки; v, E - коэффициент Пуанссона и модуль упругости материала мембраны соответственно;

10 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.

15 А это означает, что дл  малогабаритных датчиков предельные размеры диаметра мембраны привод т к существенному ограничению чувствительности. Значительное уменьшение h также ограничиваетс  верх20 ним пределом измер емых давлений из соображений необходимой прочности мембраны.

Из этого следует, что классический мембранный чувствительный элемент в извест25 ном устройстве имеет  вно недостаточную чувствительность, особенно дл  малогабаритных датчиков. Кроме того, область применени  датчиков существенно ограничена невысоким верхним пределом диапазона

30 измер емых давлений.

Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности, а также повышение стабильности параметров датчика.

Поставленна  цель достигаетс  благо35 дар  тому, что датчик давлени , содержащий мембранный чувствительный элементе периферийной частью, закрепленной в корпусе , первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), выполненные

40 каждый в виде излучающего и приемного световодов с источником света и фотоприемником , включает в себ  пластинчатый упругий элемент, свободно опирающийс  одним заостренным концом в утолщение

45 центра мембранного чувствительного элемента , а другим - в опору, образованную в утолщении корпуса и имеющей в центральной части отражающие поверхности с обеих сторон, причем излучающие и приемные

50 световоды обоих ВОП установлены соосно по двум параллельным ос м, перпендикул рным поверхности пластинчатого элемента , а торцы световодов параллельны поверхности пластинчатого упругого эле55 мента и направлены друг навстречу другу, выходы фотоприемников обоих ВОП подключены к входу определител  отношений электрических напр жений, выход которого подсоединен к регистрирующему устройству , причем мембранный чувствительный

элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расшире- ни . Дополнительно к этому входы излучающих световодов обоих ВОП подсое- динены к выходу светоделител , на входе которого установлен общий источник излучени .

В предлагаемом решении по вл ютс  свойства, обусловленные совокупностью взаимозависимых признаков, перечисленных в предыдущем образце. Не обнаружены другие решени , содержащие признаки, сходные с признаками предлагаемого решени . За витель и автор считают предлагаемое решение обладающим существенными отличи ми.

На чертеже изображен пример реализации предлагаемого датчика давлени .

Датчик состоит из мембранного чувст- вительного элемента 1, закрепленного в корпусе 2, первого волоконно-оптического преобразовател  (ВОП), включающего в себ  излучающий 3 и приемный 4 световоды, источник света 5 (общий дл  обоих ВОП), фотоприемник 6 с усилителем 7, второго ВОП, включающего в себ  излучающий 8, приемный 9 световоды, фотоприемник 10с усилителем 11, светоделитель 12, пластинчатый упругий элемент 13, определитель от- ношений электрических напр жений 14, регистрирующее устройство 15, поджимной винт-опору 16 и ограничители 17. Поджимной винт-опора 16 предназначен дл  автоматической выборки зазоров, которые могут возникать между заостренным концом пластинчатого упругого элемента 13 и утолщением центра мембранного чувствительного элемента 1. Ограничители 17 предусмотрены дл  исключени  произвольности проги- ба пластинчатого упругого элемента 13. Сих помощью прогиб возможен только в одну сторону - это необходимо дл  надежности работы датчика.

Датчик давлени  работает следующим образом.

Вызванна  давлением деформаци  мембранного чувствительного элемента 1 передаетс  на пластинчатый упругий элемент 13 и изгибает его. Благодар  наличию ограничителей 17 пластинчатый упругий элемент 13 всегда прогибаетс  в одну и ту же сторону. При этом рассто ние между отражающими поверхност ми упругого элемента и торцами световодов 3, 4 - с одной стороны уменьшаетс , а между отражающей поверхностью и торцами световодов 8, 9 - с другой стороны увеличиваетс , что приводит к изменению величин отраженных потоков излучени  на выходах из световодов , которые принимаетс  фотодиодами 6 и 10. усиливаютс  усилител ми фототока 7 и 11 и сравниваютс  в Определителе отношений электрических напр жений 14. Результат сравнени  отображаетс  на регистрирующем устройстве 15.

Предложенное решение позвол ет получить следующие положительные эффекты по сравнению с известными - повышение чувствительности и точности. Повышение чувствительности достигаетс  благодар  включению в устройство, кроме других, упругого пластинчатого элемента 13. Давление среды воздействует на мембранный чувствительный элемент 1, который кинематически без зазоров св зан с упругим пластинчатым элементом 13, деформирующимс  при действии этого давлени . При этом перемещение центра мембранного чувствительного элемента 1 трансформируетс  в существенно больший по величине прогиб упругого пластинчатого элемента 13. Величина прогиба элемента зависит от его длины.

Повышение точности измерений в предложенном решении достигаетс  компенсацией температурных погрешностей благодар  двум конструктивным особенност м предложенного устройства:

мембранный чувствительный элемент, корпус которого и пластинчатый упругий элемент выполнены из материала с одинаковым коэффициентом теплового расширени ;

в устройство введен определитель отношений электрических напр жений, благодар  которому изменение рассто ни  между торцами световодов и поверхностью пластинчатого упругого-элемента при изменении температуры будет компенсироватьс  автоматически. Кроме того, применение определител  отношений совместно с общим дл  обоих ВОП источником излучени  позвол ет избавитьс  от временной нестабильности примен емого источника излучени .

Совокупность упом нутых взаимозависимых конструктивных, признаков позвол ет получить в предложенном решении положительные эффекты: повышение чувствительности , точности измерений, а также стабильности параметров датчика.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик давлени , 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 фотоприемником , отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и точности, мембранный чувствительный элемент выполнен с утолщением в центральной части, на которую свободно опираетс  одним.концом введенный пластинчатый упругий элемент с отражающими поверхност ми , другой конец которого жестко скреплен с корпусом, а излучающие и приемные

   световоды обоих ВОП установлены соосно по разные стороны пластинчатого упругого элемента перпендикул рно его поверхност м , при этом мембранный чувствительный элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширени .