Датчик давления

СОЮЗ СОВЕ ГСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК АЗ)5 6 01 1 11/О ИЕ ИЗОБ ТЕНИ АТЕНТУ змереных и ых Сисю к гистекляннуюпотенузномембрану,делены тодвум катетизлучающиДатчикния полно ится к изменачено для , газообра зированных гическ ими итель- мереных и систе- оцесекляннуюизма разадкой. К одведены ы.-оптический датчик типа, чувствительредстэеляет собой наруше я апти ботает на принципе нутрен него отраже ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Научно-исследовательский институт механики и прикладной математики при Ростовском государственном университете(73) НИИ механики и прикладной математики Ростовского университета(56) Авторское свидетельство СССРМ 1500889, кл.6 01 1 11/00, 1987.(57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для иния давлений жидких газообразвязких сред в аетоматизированнтемах управления технологическимипроцессами, Сущность изобретения; предлагаемый датчикдавления содержит мембранный чувствительный элемент спериферийной частью, закрепленный в корпусе, первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), выполненныекаждый в виде излучающего и приемногоееетоводов с источником света и фотоприИзобретение относ ной технике и предназ ниядавления жидких вязких сред в автомати мах управления технол сами,Известен волоконно давления мембранного ный элемент которого.,Ж 1797 емником, включает в себя еще пластинчатый упругий элемент, свободно опирающийся одним заостренным концом в утолщение центра мембранного чувствительного элемента, а другим - в опору, образованную е утолщении корпуса, и имеющий в центральной части отражающие поверхности с обеих сторон, причем излучающие и приемные светоеоды обоих ВОП установлены соосно по двум параллельным осям, перпендикулярным поверхности пластинчатого элемента, а торцы световодов параллельны повеохности пластинчатого элемента, а торцы световодов параллельны поверхности пластинчэтого упругого элемента и направлены друг навстречу другу, выходы фотоприемников обоих ВОП подключены к входу определителя отношений электрических напряжений, выход которого подсоединен к регистрирующему устройству, причем мембранный чувствительный элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения, входы излучающих световодов обоих ВОП подсоединены к выходу светоделителя, на входе которого установлен общий источник излучения. 1 ил. призму и прикреплен й грани последней ст причем мембрана и пр нкой кольцевой прок ным граням призмы и й и приемный световод5 10 15 20 30 35 40 50 ческого излучения (ПВО) в стеклянной призме,Недостаток устройства - существенное уменьшение чувствительности при колебаниях температуры внешней среды. Это видно из следующего. Чувствительность оптических преобразователей прямо пропорциональна удельной глубине модуляции излучения, которая определяется из соотно- шения М = (1 - ехр( - ф --- ЯЯпь, (1)Х овУ бгде Яеп, бв, х, й - конструктивные параметры преобразователя давления;Р- эмпирический коэффициент;б - длина пути осевых лучей от светоизлучающего диода до фотоприемника.Как видно из (1), глубина модуляции Мобратно пропорциональна величине д,гкоторая существенно зависит от температурного расширителя деталей преобразователя, выполненных, как правило, изматериалов с различными коэффициентамитеплового расширителя (КТР). Поэтому даженебольшое изменение температуры среды,приводит к значительному нелинейному(величина д в квадрате) изменению значенияМ. а следовательно, и к изменению чувствительности, что приводит к появлению больших температурных погрешностей,Другой существенный недостаток устройства в сложности юстировки его приобеспечении режима ПВО при измерениидавления сред в широком температурномдиапазоне.Отмеченные недостатки частично устранены в другом известном устройстве, принятом за прототип - датчике давления,состоящем из мембранного чувствительного элемента с утолщенной периферийнойчастью, закрепленной в корпусе, двух волоконно-оптических преобразователей (ВОП),выполненных каждый в виде излучающего иприемного световодов с источником света ифотоприемником, причем концы световодов закреплены в плате, а их торцы установлены в одной плоскости, Световодц первогоВОП установлены напротив жесткого центра мембраны, а световоды второго ВОП -напротив утолщенной периферийной части,мембраны. Кроме того, датчик содержитмежду световодами первого и второго ВОПеще и кольцевую светозащищенную перегородку. Недостаток известного устройства - пониженная чувствительность его.В самом деле, чувствительность мембранного датчика можно оценить по формуле 3 ц 1 - ") Ь16 р ЕЬгде О/ - прогиб мембраны в центре;Р - измеряемое давление,ц - интенсивность нагрузки;ю, Е - коэффициент Пуанссона и модульупругости материала мембраны соответственно;Ь, Ь - радиус и толщина мембраны, соответственно.Как видно из (2), чувствительность мембранного датчика тем выше, чем больше диаметр мембраны 2 Ь и меньше ее толщины Ь,А это означает, что для малогабаритных датчиков предельные размеры диаметра мембраны приводят к существенному ограничению чувствительности, Значительное уменьшение Ь также ограничивается верхним пределом измеряемых давлений из соображений необходимой прочности мембраны.Из этого следует, что классический мембранный чувствительный элемент в известном устройстве имеет явно недостаточную чувствительность, особенно для малогабаритных датчиков. Кроме того, область применения датчиков существенно ограничена невысоким верхним пределом диапазонаизмеряемых давлений. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности, а также повышение стабильности параметров датчика.Поставленная цель достигается благодаря тому, что датчик давления, содержащий мембранный чувствительный элемент с периферийной частью, закрепленной в корпусе, первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), выполненные каждый в виде излучающего и приемного световодов с источником света и фотоприемником, включает в себя пластинчатый упругий элемент, свободно опирающийся одним заостренным концом в утолщение 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 световоды обоих ВОП установлены соосно по двум параллельным осям, перпендикулярным поверхности пластинчатого элемента, а торцы световодов параллельны поверхности пластинчатого упругого элемента и направлены друг навстречу другу,выходы фотоприемников обоих ВОП подключены к входу определителя отношений электрических напряжений, выход которого подсоединен к регистрирующему устройству, причем мембранный чувствительныйэлемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения. Дополнительно к этому входы излучающих световодов обоих ВОП подсоединены к выходу светоделителя, на входе которого установлен общий источник излу.чения,В предлагаемом решении появляются свойства, обусловленные совокупностью взаимозависимых признаков, перечисленных в предыдущем образце. Не обнаружены другие решения, содержащие признаки, сходные с признаками предлагаемого решения, Заявитель и автор считают предлагаемое решение обладающим существенными отличиями,На чертеже изображен пример реализации предлагаемого датчика давления,Датчик состоит из мембранного чувствительного элемента 1, закрепленного в корпусе 2, первого волоконно-оптического преобразователя (ВОП), включающего в себя излучающий 3 и приемный 4 световоды, источник света 5 (общий для обоих ВОП), фотоприемник 6 с усилителем 7, второго ВОП, включающего в себя излучающий 8, приемный 9 световоды, фотоприемник 10 с усилителем 11, светоделитель 12, пластинчатый упругий элемент 13, определитель отношений электрических напряжений 14, регистрирующее устройство 15, поджимной винт-опору 16 и ограничители 17, Поджимной винт-опора 16 предназначен для автоматической выборки зазоров, которые могут возникать между заостренным концом пластинчатого упругого элемента 13 и утолщением центра мембранного чувствительного элемента 1. Ограничители 17 предусмотрены для исключения произвольности прогиба пластинчатого упругого элемента 13. С их помощью прогиб возможен только в одну сторону - это необходимо для надежности работы датчика.Датчик давления работает следующим образом,Вызванная давлением деформация мембранного чувствительного элемента 1 передается на пластинчатый упругий элемент 13 и изгибает его, Благодаря наличию ограничителей 17 пластинчатый упругий элемент 13 всегда прогибается в одну и ту же сторону. При этом расстояние между отражающими поверхностями упругого элемента и торцами световодов 3, 4 - с.одной стороны уменьшается, а между отражающей поверхностью и торцами световодов 8, 9 - с другой стороны увеличивается, что приводит к изменению величин отраженных потоков излучения на выходах из свето для обоих ВОП источником излучения позволяет избавиться от временной нестабильности применяемого источника излучения,Совокупность упомянутых взаимозависимых конструктивных, признаков позволяет получить в предложенном решении50 положительные эффекты; повышение чувствительности, точности измерений, а такжестабильности параметров датчика.Формула изобретения Датчик давления, 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 приемногосветоводов с общим источником света и фо 102025 303540 водов, которые принимается фотодиодами 6 и 10, усиливаются усилителями фототока 7 и 11 и сравниваются в определителе отношений электрических напряжений 14. Результат сравнения отображается на регистрирующем устройстве 15.Предложенное решение позволяет получить следующие положительные эффектыпо сравнению с известными - повышение чувствительности и точности, Повышение чувствительности достигается благодарявключению в устройство, кроме других, упругого пластинчатого элемента 13. Давление среды воздействует на мембранныйчувствительный элемент 1, который кинематически без зазоров связан с упругим пластинчатым элементом 13, деформирующимся при действии этого давления, При этом перемещение центра мембранногочувствительного элемента 1 трансформируется в существенно больший по величине прогиб упругого пластинчатого элемента 13. Величина прогиба элемента зависит от егодлины,Повышение точности измерений в предложенном решении достигается компенсацией температурных погрешностей благодаря двум конструктивным особенностям предложенного устройства;мембранный чувствительный элемент, корпус которого и пластинчатый упругийэлемент выполнены из материала с одинаковым коэффициентом теплового расширения;в устройство введен определитель отношений электрических напряжений, благодаря которому изменение расстояния междуторцами световодов и поверхностью пластинчатого упругого элемента при изменении температуры будет компенсироваться автоматически, Кроме того, применение определителя отношений совместно с общим1797701 Составитель В.Акопь Техред М.Моргентал ректор М.Тка енина едакт каз 669ВНИИПИ Гос Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4 Г 5 венно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гага Произ топриемником, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности. мембранный чувствительный элемент выполнен с утолщением в центральной части, на которую свободно опирается одним, концом введенный пластинчатый упругий элемент с отражающими поверхностями, другой конец которого жестко скреплен с корпусом, а излучающие и приемные световоды обоих ВОП установлены соосно по разные стороны пластинчатого упругого элемента перпендикулярно его поверхностям, при этом мембранный чувствительный 5 элемент, корпус и пластинчатый упругийэлемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения.