RU2574227C1

RU2574227C1 - Fibre-optic pressure sensor

Info

Publication number: RU2574227C1
Application number: RU2014145569/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Цаплин; Василь Рафисович Каюмов
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: pressure sensor comprises a body with a fixed elastic membrane, an optic channel, comprising fixed and movable light guides. The movable light guide is connected via a bar to the membrane. The fixed and movable light guides are installed as capable of transverse movement relative to their axes, besides, the fixed light guide is installed as capable of movement and fixation in the body with the help of a screw and a nut. A packing box is arranged at the ends of the light guides inlet and outlet.

EFFECT: expanded range of the sensor use in explosive environments with the preservation of its small dimensions.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области волоконно-оптических средств измерений давления, и применимо в нефтяной и газовой промышленности, медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.The invention relates to the field of measuring equipment, in particular to the field of fiber-optic pressure measuring instruments, and is applicable in the oil and gas industry, biomedical research, hydroacoustics, aerodynamics, security systems for remote monitoring of pressure.

Известен волоконно-оптический датчик давления, в корпусе которого закреплена мембрана с жестким центром и утолщенной периферийной частью и два волоконно-оптических преобразователя, выполненных в виде световодов с источником света и фотоприемниками. Торцы световодов установлены соответственно напротив центральной и периферийной частей мембраны. Между отражающими поверхностями мембраны и торцами световодов выполнена светозащитная перегородка, имеющая конфигурацию, аналогичную конфигурации периферийной части мембраны (патент РФ №92004980, МПК G01L 11/00, опубл. 1995.07.09).Known fiber optic pressure sensor, in the housing of which is fixed a membrane with a rigid center and a thickened peripheral part and two fiber optic transducers made in the form of optical fibers with a light source and photodetectors. The ends of the optical fibers are respectively installed opposite the central and peripheral parts of the membrane. Between the reflecting surfaces of the membrane and the ends of the optical fibers, a light barrier is made having a configuration similar to the configuration of the peripheral part of the membrane (RF patent No. 92004980, IPC G01L 11/00, publ. 1995.07.09).

Недостатками известного датчика являются его габариты из-за наличия большого количества элементов, входящих в состав датчика, и его повышенная взрывоопасность из-за наличия в корпусе фотоприемников. Таким образом, свет преобразовывается в электрический сигнал прямо в датчике.The disadvantages of the known sensor are its dimensions due to the presence of a large number of elements that make up the sensor, and its increased explosion hazard due to the presence of photodetectors in the housing. Thus, light is converted into an electrical signal directly in the sensor.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, в котором закреплены световод и фотоприемник, связанные между собой с помощью оптического канала, а также мембрана. В оптическом канале дополнительно размещены по ходу движения луча рассеивающая линза, рамка со световой щелью и соединенная через коромысло с упругой мембраной подвижная светонепроницаемая перегородка, установленная с возможностью перемещения, обеспечивающего линейную зависимость площади световой щели от перемещения упругой мембраны. Световая щель рамки выполнена в виде прямоугольника, вписанного в рабочее поле фотоприемника [патент РФ №2269755, кл. G01L 11/00, опубл. 10.02.2006]. Данное устройство принято за прототип.The closest technical solution to the proposed one is a fiber-optic pressure sensor containing a housing in which a light guide and a photodetector are connected, interconnected by an optical channel, as well as a membrane. In the optical channel, a scattering lens, a frame with a light gap, and a movable opaque partition connected via a beam with an elastic membrane and mounted with the possibility of movement providing a linear dependence of the area of the light gap on the movement of the elastic membrane are additionally placed along the beam. The light gap of the frame is made in the form of a rectangle inscribed in the working field of the photodetector [RF patent No. 2269755, class. G01L 11/00, publ. 02/10/2006]. This device is taken as a prototype.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - корпус с закрепленной в нем упругой мембраной; оптический канал, содержащий фиксируемый световод.Signs of the prototype, which coincides with the essential features of the claimed invention, is a housing with an elastic membrane fixed in it; an optical channel containing a fixed fiber.

Недостатком известного датчика, принятого за прототип, является наличие тока в фотоприемнике. При работе во взрывоопасных средах возникает необходимость пожаробезопасного исполнения датчика, которое приводит к увеличению его габаритов.A disadvantage of the known sensor adopted for the prototype is the presence of current in the photodetector. When working in explosive atmospheres, there is a need for a fireproof sensor, which leads to an increase in its dimensions.

Известна в работе [Основы физики и техники использования оптического волокна: лабораторная работа по курсу радиофизики, сост.: В.А. Астапенко, В.А. Баган, С.А. Никитов. - М: МФТИ, 2010. - 51 с.] зависимость оптических потерь при поперечном смещении оптических волокон (фиг. 2). Из фиг. 2 видно, что с увеличением поперечного смещения оптические потери возрастают, что приводит к пропорциональному уменьшению интенсивности света. Однако в этой работе не предложена конструкция, обеспечивающая контролируемое перемещение оптоволокон, регулировку датчика.Known in the work [Fundamentals of the physics and technology of using optical fiber: laboratory work on the course of radiophysics, comp .: V.A. Astapenko, V.A. Bagan, S.A. Nikitov. - M: MIPT, 2010. - 51 p.] The dependence of optical loss in the transverse displacement of optical fibers (Fig. 2). From FIG. Figure 2 shows that with increasing lateral displacement, optical losses increase, which leads to a proportional decrease in light intensity. However, this work did not propose a design that provides controlled movement of optical fibers and sensor adjustment.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение диапазона применения датчика во взрывоопасных средах при сохранении его малых габаритов.The problem to which the invention is directed is to expand the range of application of the sensor in explosive atmospheres while maintaining its small dimensions.

Поставленная задача была решена за счет того, что известный волоконно-оптический датчик давления, включающий корпус с закрепленной в нем упругой мембраной, оптический канал, содержащий фиксируемый световод, согласно изобретению снабжен сальником, а оптический канал дополнительно содержит подвижный световод, соединенный через штангу с мембраной, при этом подвижный и фиксируемый световоды установлены с возможностью поперечного перемещения относительно своих осей, причем фиксируемый световод установлен с возможностью перемещения и фиксации в корпусе с помощью винта и гайки, а сальник расположен по торцам входа и выхода световодов.The problem was solved due to the fact that the known fiber-optic pressure sensor, comprising a housing with an elastic membrane fixed in it, an optical channel containing a fixed optical fiber, according to the invention is equipped with a gland, and the optical channel further comprises a movable optical fiber connected through a rod to the membrane while the movable and fixed optical fibers are installed with the possibility of lateral movement relative to their axes, and the fixed optical fiber is installed with the possibility of movement and fi sation in the housing by a screw and nut and gland located at the ends of the input and output waveguides.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от признаков решения по прототипу, - наличие в оптическом канале подвижного световода, соединенного через штангу с мембраной; установка подвижного и фиксируемого световодов с возможностью поперечного перемещения относительно своих осей; установка фиксируемого световода с возможностью перемещения и фиксации в корпусе с помощью винта и гайки; наличие сальника, расположенного по торцам входа и выхода световодов.The features of the proposed technical solution, distinctive from the features of the solution of the prototype, are the presence in the optical channel of a movable fiber connected through a rod to the membrane; installation of movable and fixed light guides with the possibility of lateral movement relative to their axes; installation of a fixed fiber with the ability to move and fix in the housing using a screw and nut; the presence of an oil seal located at the ends of the entrance and exit of the optical fibers.

Наличие в оптическом канале фиксируемого световода и соединенного через штангу с мембраной подвижного световода, установленных с возможностью поперечного перемещения относительно своих осей, позволяет измерять интенсивность света, тем самым давление, без применения электрических компонентов, следовательно, расширяет диапазон применения датчика во взрывоопасных средах при сохранении его малых габаритов.The presence of a fixed optical fiber in the optical channel and a movable optical fiber connected through a rod to the membrane and installed with the possibility of lateral movement relative to its axes makes it possible to measure light intensity, thereby pressure, without the use of electrical components, and therefore extends the range of application of the sensor in explosive atmospheres while maintaining it small dimensions.

Установка фиксируемого световода с возможностью перемещения и фиксации в корпусе с помощью винта и гайки позволяет настраивать датчик непосредственно в процессе его эксплуатации, следовательно, расширяет диапазон применения датчика.The installation of a fixed fiber with the ability to move and fix in the housing using a screw and nut allows you to configure the sensor directly during its operation, therefore, it extends the range of application of the sensor.

Наличие сальника, расположенного по торцам входа и выхода световодов, приводит к уменьшению внутренних потерь в световоде при его изгибе, следовательно, расширяет диапазон применения датчика.The presence of an oil seal located at the ends of the input and output of the optical fibers leads to a decrease in internal losses in the optical fiber when it is bent, therefore, it widens the range of application of the sensor.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device.

На фиг. 2 показана зависимость оптических потерь при поперечном смещении оптических волокон.In FIG. Figure 2 shows the dependence of optical loss upon transverse displacement of optical fibers.

Волоконно-оптический датчик давления включает корпус 1 с закрепленной в нем упругой мембраной 2, оптический канал, содержащий фиксируемый 3 и подвижный 4 световоды. Фиксируемый 3 и подвижный 4 световоды закреплены в оптическом канале через хомут фиксации 5 оптического световода и перемычки хомутов 6. Подвижный световод 4 соединен через штангу 7 с мембраной 2. Подвижный 4 и фиксируемый 3 световоды установлены с возможностью поперечного перемещения в направляющем пазу 8 относительно своих осей. Направляющие пазы 8 выполнены в корпусе 1 датчика. Фиксируемый световод 3 способен перемещаться в оптическом канале только во время настройки оператором. Для настройки фиксируемого световода 3 в корпусе 1 имеется гайка 9 и винт 10. Измеряемая среда по давлением p₁ подается в корпус 1 через отверстие 11. Часть корпуса 1 по другую сторону от мембраны 2 сообщается через отверстие 12 с окружающей атмосферой, имеющей давление p₀. Изолятором атмосферного давления с измеряемым служит сальник 13, расположенный по торцам входа и выхода световодов 3 и 4. Также сальник 13 приводит к уменьшению внутренних потерь в световоде при его изгибе.The fiber optic pressure sensor includes a housing 1 with an elastic membrane 2 fixed therein, an optical channel containing a fixed 3 and movable 4 optical fibers. A fixed 3 and a movable 4 optical fibers are fixed in the optical channel through a clamp 5 of the optical fiber and the jumper 6. The movable optical fiber 4 is connected via a rod 7 to the membrane 2. The movable 4 and fixed 3 optical fibers are mounted with the possibility of lateral movement in the guide groove 8 relative to their axes . Guide grooves 8 are made in the housing 1 of the sensor. The fixed light guide 3 is able to move in the optical channel only during tuning by the operator. To configure latching the fiber 3 in the body 1 has a nut 9 and the screw 10. Measured by pressure p ₁ is fed into the housing 1 through the opening 11. Part of the housing 1 on the other side of the membrane 2 communicates with the surrounding atmosphere through hole 12 having a pressure p ₀ . An insulator of atmospheric pressure with the measured one is an oil seal 13 located at the ends of the input and output of the optical fibers 3 and 4. Also, the oil seal 13 reduces internal losses in the optical fiber during its bending.

Волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом.Fiber optic pressure sensor operates as follows.

Измеряемое давление через отверстие 11 в корпусе 1 подается на упругую мембрану 2. Мембрана 2 жестко связана со штангой 7, которая перемещает хомут фиксации 5 оптического световода и вызывает поперечное перемещение подвижного световода 4 в направляющем пазу 8. При этом изменяется интенсивность света, выходящего из фиксированного световода 3 и попадающего в подвижный световод 4. Эта интенсивность максимальна, когда оси световодов совпадают, и уменьшается при поперечном смещении подвижного световода 4 относительно фиксируемого 3. Таким образом, интенсивность света на выходе подвижного световода 4 зависит от перемещения упругой мембраны 2.The measured pressure through the hole 11 in the housing 1 is supplied to the elastic membrane 2. The membrane 2 is rigidly connected to the rod 7, which moves the clamp 5 of the optical fiber and causes the transverse movement of the movable fiber 4 in the guide groove 8. This changes the intensity of the light coming out of the fixed fiber 3 and falling into the movable fiber 4. This intensity is maximum when the axes of the fibers coincide, and decreases with a lateral displacement of the movable fiber 4 relative to the fixed 3. Thus , the light intensity at the output of the movable fiber 4 depends on the movement of the elastic membrane 2.

Расширение диапазона применения датчика во взрывоопасных средах при сохранении его малых размеров обеспечивается отсутствием тока в корпусе датчика.The extension of the range of application of the sensor in explosive atmospheres while maintaining its small size is ensured by the absence of current in the sensor housing.

Технико-экономическая эффективность от использования волоконно-оптического датчика давления выражается, во-первых, в расширении диапазона применения датчика во взрывоопасных средах, во-вторых, в уменьшении габаритов датчика за счет вынесения источника излучения и измерительного прибора за его пределы.Technical and economic efficiency from the use of a fiber-optic pressure sensor is expressed, firstly, in expanding the range of application of the sensor in explosive atmospheres, and secondly, in reducing the size of the sensor due to the removal of the radiation source and the measuring device beyond it.

Claims

Fiber-optic pressure sensor, comprising a housing with an elastic membrane fixed therein, an optical channel containing a fixed light guide, characterized in that it is equipped with an oil seal, and the optical channel further comprises a movable light guide connected through a rod to the membrane, while the movable and fixed light guides installed with the possibility of lateral movement relative to its axes, and the fixed fiber is installed with the ability to move and fix in the housing using a screw and nut, and the gland is located wives at the ends of the input and output fibers.