RU2113697C1

RU2113697C1 - Optical pressure gauge

Info

Publication number: RU2113697C1
Application number: RU97109236A
Authority: RU
Inventors: С.А. Болотнов; А.И. Леонов; В.Т. Плешаков; В.И. Степанов; А.И. Хомяков
Original assignee: Фирма "Газприборавтоматика"
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 1998-06-20

Abstract

FIELD: designing of instruments and systems of metrological control. SUBSTANCE: pressure gauge has casing which accommodates sensing element, cut-in rod coupled to membrane assemblies dividing the casing into three chambers. It also includes optical device connected to fiber-optical cable. Optical device is made as Michelson interferometer, beam splitter of which represents sectional cube, and moving and fixed reflectors are triplet prisms. Moving reflector is rigidly secured to rod, and the latter is provided with springs fixed between membrane assemblies and face walls of casing. EFFECT: higher measurement accuracy. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при конструировании приборов и систем метрологического контроля, в частности, для магистральных газопроводов. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in the design of instruments and systems of metrological control, in particular, for gas mains.

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. A number of devices are known [1 - 3], in which fiber-optic converters serve as the main element of a pressure meter. The basis of such devices is a piece of optical fiber connected to a pressure-sensitive element, for example, a membrane made of quartz, ceramic or other optical material. Optical radiation supplied through one of the fiber cores is reflected from the membrane and changes its parameters depending on changes in its geometry or position, which in turn are determined by the value of the measured pressure.

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. In particular, in the patent [1], such a parameter is the intensity of the fluorescent radiation excited in a ruby crystal, which serves as a sensitive element. Patent [2] protects the design of a pressure sensor based on a membrane connected to a light filter, the transmittance of which depends on the movement of the membrane. The value of the measured pressure is obtained by comparing the radiation intensities of different wavelengths.

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. The patent [3] describes a sensor in which pressure is converted into linear movement of the mirror. As a result of this, the position of the light beam relative to the area of the photodetector changes, which leads to a change in the intensity of the output signal.

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. The advantages of the considered meters include the lack of contact of the converting element with the medium being measured, which is essential when working with explosive atmospheres. The disadvantages include the significant dependence of the converters on temperature, and therefore there is a need for additional thermal stabilization devices that are possible for use in a gas environment. The temperature drift of the optical parameters of the considered analogues does not provide the proper repeatability of the measurement samples and their reproducibility, thereby increasing the error of the considered sensors.

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. Closest to the claimed invention by its technical nature is an optical pressure difference meter [4] with a fiber-optic converter and temperature compensation. The prototype contains a housing divided into three chambers (two counter-chambers and a main cavity), and a sensing element, including a piece of optical fiber, two membranes and a rod, rigidly connected with membranes and a piece of fiber. Due to the pressure difference in the backbones, a bend of a fiber segment occurs, as a result of which the parameters of the analyzed light signal change. Partial temperature compensation of optical parameters occurs due to the use of a differential circuit for constructing a pressure sensor.

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. The disadvantages of the prototype are due to both the optical and mechanical parts of the meter. As for the optical part, the implementation of the sensitive element in the form of a piece of fiber leads to a significant decrease in the accuracy of pressure measurement. First of all, this is caused by the nonlinear dependence of the bending of the fiber surface on the measured pressure, leading to a nonlinear change in the angle of total internal reflection. Nonlinearity of the output characteristic leads to the need for additional calibrations, which affects the cost of the device used. In addition, at certain pressures, the condition of total internal reflection may be violated, which can lead to a complete loss of signal.

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. The prototype also did not finally solve the problem of thermal compensation of the measurement, since the fiber has a certain coefficient of linear expansion, which cannot be ignored during measurements. Thus, in the prototype it is necessary to introduce an additional thermal compensation device, or to take into account the temperature change by machine methods.

Кроме того, сам отрезок волокна представляет собой консоль, возмущающие воздействия на которую вносят дополнительные погрешности в измерение давления. In addition, the fiber segment itself is a console, disturbing influences on which introduce additional errors in the measurement of pressure.

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. As for the mechanical part of the device, its main drawback is associated with the absence of a rigid center in the system. In this case, the vibrations acting on the rod in all planes will cause the total bending of the optical transducer, which will lead to the occurrence of a random error in the measured pressure.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения за счет снижения чувствительности к температурным воздействиям и внешним возмущениям в процессе его эксплуатации. The technical task of the invention is to increase the accuracy of measurements by reducing sensitivity to temperature influences and external disturbances during its operation.

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. The stated technical problem is achieved due to the fact that a Michelson interferometer is introduced into an optical pressure meter containing a housing, inside which a sensing element is placed, including a rod connected to membrane units dividing the housing into three chambers and an optical device connected to a fiber-optic cable, whose beam splitter is made in the form of a composite cube, the movable and fixed reflectors are in the form of triple prisms, and the movable reflector is rigidly connected to the rod. In this case, the rod from the opposite ends is equipped with springs that are fixed between the membrane assemblies and the end walls of the housing.

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. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive meter differs in the implementation of an optical device in the form of a Michelson interferometer and the presence of thrust springs at opposite ends of the rod. Thus, the set of essential features of the proposed technical solution of the meter due to the presence of new features will allow to obtain a technical result, which is expressed in increasing the accuracy of the measurement by reducing sensitivity to temperature influences and external disturbances during its operation.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема заявляемого оптического измерителя давления, на фиг. 2 - функциональная схема оптического устройства измерителя. In FIG. 1 shows a structural diagram of the inventive optical pressure meter, FIG. 2 is a functional diagram of an optical device of the meter.

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. The meter (Fig. 1) consists of two main nodes: the housing 1 and placed inside its sensitive element 2. The sensitive element 2 includes a rod 3, rigidly connected to the membrane nodes 4 and 5; thrust springs 6 and 7 and the optical device 8. Using the membrane nodes 4 and 5, the housing is divided into three chambers - a receiving 9, a rear chamber 10, equipped with fittings 11 and 12, and a main chamber 13, in which the optical device 8 is placed.

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. Rigid fastening of the rod 3 with the membrane nodes 4 and 5 of the pressure chambers 9 and 10 provides a measurement of the differential pressure of the gas filling these chambers. This is the universality of the claimed meter. In the case of measuring pressure relative to a zero value, we are talking about an absolute pressure meter; if the pressure of the receiving chamber 9 is brought to the atmosphere, then the meter operates with overpressure.

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. To create a rigid center of the structure, two stop springs 6 and 7 are used in the meter. One of the sides of each spring is connected to the corresponding membrane assembly, the other abuts against the walls of the housing 1. Functionally, the springs smooth out vibrations perpendicular to the axis of movement of the rod. Oscillations of the rod along the axis remain, but as a result of averaging the measurements, their effect is reduced to zero. The symmetrical arrangement of the springs in the meter design smooths out the effects of thermal effects.

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. The main element of the meter is an optical device 8 (Fig. 2) contains a fiber optic cable 14 with input 15 (for supplying monochromatic radiation) and output 16 (for outputting a light signal) cores. The input 15 and output 16 of the core through matching lenses 17 and 18 are connected to a Michelson interferometer 19. The Michelson interferometer 19 consists of a beam splitter 20, a movable 21 and a stationary 22 reflectors. The movable reflector 21 is rigidly mounted on the rod 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. The beam splitter 20 is made in the form of a composite cube in order to increase the mechanical and thermal stability of the interferometer, as well as simplify its fastening. In addition, this design gives it symmetry with respect to the beam splitting plane, which is very important for temperature compensation. The cube is glued from two rectangular prisms with a layer translucent for radiation on the hypotenuse face of one of them. Reflectors 21 and 22 are made in the form of triple prisms made, for example, of quartz. There are no special requirements for the manufacture of beam splitters and reflectors. A sufficient condition is the non-perpendicularity of the faces of all elements of the interferometer 19 at the level of units of angular minutes based on the order of 5 mm. The movable reflector 21 moves with the rod 3 under the influence of a differential pressure.

Описываемый измеритель давления работает следующим образом. The described pressure meter works as follows.

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. Optical radiation from the source (for the inventive meter it is a helium-neon laser, not shown in the drawing) is fed through the input core 15 of the fiber optic cable 14 and through the matching lens 17 it is transmitted to the interferometer 19 of the optical device 8 located inside the main camera 13 of the housing 1. The received radiation signal, which contains information about the measured pressure, enters from the interferometer 19 to the output core 16 through the corresponding matching lens 18 and is recorded by a photodetector (not shown) in the opposite direction. opolozhnom end of the cable.

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. If there is no difference in gas pressure in the chambers 9 and 10 supplied through the nozzle 11 and 12, the shoulders of the interferometer 19 will be balanced and the signal at the output of the photodetector containing pressure information is absent. In the case of supplying the measured pressure to the receiving chamber 9, it acts on the sensing element 2, the position of which is determined by the springs 6 and 7 installed between the end walls of the housing 1 and the membrane nodes 4 and 5. In this case, the position of the movable reflector 21 is rigidly fixed to the rod 3 varies relative to the equilibrium point. In this case, interference emission bands arise, the intensity of which changes when the reflector 21 moves, depending on the difference in the path of the rays on both arms of the interferometer 19. By reading the number of maxima of the obtained interferogram using a photodetector, the path difference can be obtained with an accuracy of λ / 2 λ - is the laser radiation wavelength ) In view of the fact that the displacement of the movable reflector 21 directly depends on the displacement of the rod 3, which, in turn, is determined by the applied pressure, it will be possible to judge the value of the measured pressure by the number of intensity maxima. Thus, when the pressure is directly proportional to the difference in the course of the interferometer, the accuracy of the measurement of the latter will be determined by the value of λ / 2. The characteristic dependence of the difference in the path of the rays from the pressure drop is determined by the stiffness of the springs 6 and 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. Due to the fact that the reflectors 21 and 22 of the interferometer 19 are made in the form of triple prisms, it is absolutely insensitive to misalignment. Even with a large angular displacement (up to units of angular degrees) of one reflector relative to the other, the reflected rays in both arms will return to the same point of the beam splitter 20, where they came from. The only restriction imposed on the interferometer 19 in this part is the vignetting of the light beam by the movable reflector 21, which is only possible theoretically.

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. As for the thermal effect on the meter under consideration, due to the symmetry of the arms of the interferometer 19 and both parts of the composite beam splitter 20, the thermal effect on them will be equivalent. As a result of this, mutual compensation of possible temperature effects will occur and they will not have any effect on the determination of the measured parameter. In addition, in the manufacture of springs from the same material (even from the same workpiece), their symmetrical arrangement compensates for the effects of thermal effects on structural elements.

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. Thus, the proposed technical solution of the optical pressure meter due to the presence of new features provides a technical result, which is expressed in increasing the accuracy of the measurement by reducing sensitivity to temperature influences and external disturbances during its operation.

Claims

1. An optical pressure meter containing a housing, inside which a sensing element is placed, comprising a rod connected to membrane assemblies dividing the housing into three chambers, and an optical device connected to a fiber optic cable, characterized in that the optical device is made in the form of a Michelson interferometer whose beam splitter is a composite cube, and the movable and fixed reflectors are triple prisms, while the movable reflector is rigidly connected to the rod.

2. The meter according to claim 1, characterized in that the rod from opposite ends is provided with springs that are secured between the membrane nodes and the end walls of the housing.