Волоконно-оптическое устройство измерения давления

Волоконно-оптическое устройство измерения давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения давления, температуры, и может быть использовано в нефтегазовой, химической промышленности для измерения давлений, температур жидких и газообразных сред, находящихся, в том числе, в трубопроводах, резервуарах.

Известно устройство для измерения давления, представляющее собой датчик, содержащий чувствительную мембрану и волоконно-оптический преобразователь, выполненный в виде световодов, соединенных с фотодетектором и излучателем (ЕР №1026439А2, кл. G01H 11/02, публ. 09.08.2000).

Недостатком данного устройства является относительно высокая погрешность измерения давления, т.к. не учитывается изменение показаний давления при изменении температуры контролируемой среды.

Известно волоконно-оптическое устройство измерения давления, содержащее оптоэлектронный блок с источником излучения, датчиками давления и температуры, каждый из которых имеет сообщающийся с измеряемой средой корпус, в котором расположена чувствительная мембрана, обращенный к мембране световод, оптически связанный с источником излучения и фотоприемником блока регистрации и обработки отраженных сигналов, осветительные каналы датчиков соединены между собой волоконно-оптическим разветвителем, при этом корпус датчика температуры имеет заглушку, изолирующую его чувствительную мембрану, от действия давления измеряемой среды (см. патент RU №2287792, публ. 10.04.2006).

При работе устройства под действием давления и температуры происходит деформация чувствительной мембраны датчика давления и деформация мембраны датчика температуры от теплового воздействия, при разности показаний на фотоприемниках определяется измеряемое давление.

Однако наличие в волоконно-оптическом устройстве двух датчиков, предназначенных для подсоединения к различным зонам измерения технологической среды, усложняет конструкцию устройства, а неоднородность температурного поля контролируемой среды приводит к нарушению точности измерения температуры, что снижает точность измерения давления среды.

Принцип работы устройства по данному изобретению основан на использовании амплитудных волоконно-оптических датчиков, существенным недостатком которых является слабая устойчивость к дестабилизирующим воздействиям. Колебания интенсивности излучения, вызванные изменениями мощности излучателя, чувствительности фотоприемника или потерь подводящих световодов, воспринимаются как полезный сигнал. Существенно влияют на характеристики элементов данных датчиков механические воздействия, вызванные вибрациями, ударами, колебаниями давления и т.д.

Вместе с тем, известны наиболее устойчивые к дестабилизирующим воздействиям волоконно-оптические устройства измерения давления, основанные на использовании интерферометрических волоконно-оптических датчиков, принцип действия которых заключается в преобразовании измеряемой физической величины в изменение оптической разности хода световых волн, например, в резонаторе Фабри-Перо, в последующем детектировании оптического сигнала и его математической обработке.

Волоконно-оптическое устройство измерения давления по патенту

RU №2334965, публ. 20.07.2007 выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения. Устройство содержит источники излучения в виде широкополосных полупроводниковых светодиодов, каждый из которых соединен с Y-образным волоконно-оптическим разветвителем, резонаторы Фабри-Перо, световоды которых соединены с выходом соответствующего волоконно-оптического разветвителя, первый резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции световых лучей, отраженных от поверхности мембраны и торца световода, при воздействии давления и температуры измеряемой среды на базовое расстояние между отражающими поверхностями, второй резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции отраженных световых лучей при температурном воздействии среды, вторые оптоволоконные выходы разветвителей сопряжены с блоком регистрации светового излучения, фотоприемная линейка которого через аналого-цифровой преобразователь связана с процессором обработки цифровых сигналов, управляющие выходы процессора связаны с источниками излучения.

При реализации данного технического решения резонаторы Фабри-Перо располагаются в различных зонах измерения технологической среды, неоднородность температурного поля которой приводит к нарушению точности измерения давления среды.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения давления технологической среды.

Для решения поставленного технического результата предложено волоконно-оптическое устройство измерения давления, содержащее источники излучения в виде широкополосных полупроводниковых светодиодов, каждый из которых соединен с Y-образным волоконно-оптическим разветвителем, резонаторы Фабри-Перо, световоды которых соединены с выходом соответствующего волоконно-оптического разветвителя, первый резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции световых лучей, отраженных от поверхности мембраны и торца световода, при воздействии давления и температуры измеряемой среды на базовое расстояние между отражающими поверхностями, второй резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции отраженных световых лучей при температурном воздействии среды, вторые оптоволоконные выходы разветвителей сопряжены с блоком регистрации светового излучения, фотоприемная линейка которого через аналого-цифровой преобразователь связана с процессором обработки цифровых сигналов, управляющие выходы процессора связаны с источниками излучения, согласно изобретению, световоды обоих резонаторов Фабри-Перо расположены в корпусе, имеющем две полости, между которыми расположена мембрана, одна из полостей корпуса сообщается с контролируемой средой и обращена к центральной части мембраны со стороны противолежащей ее отражающей поверхности, а в другой полости корпуса размещены изолированные друг от друга световоды резонаторов Фабри-Перо, световод первого резонатора соосен с вертикальной осью симметрии центральной части мембраны, световод второго резонатора радиально смещен относительно световода первого резонатора и торец его обращен к отражающей поверхности мембраны, выполненной на ее периферийном кольцевом участке, который изолирован от полости корпуса, сообщающейся с контролируемой средой.

Согласно изобретению световоды резонаторов Фабри-Перо размещены в соосных, сопряженных между собой втулках, одна из которых, внутренняя, предназначена для размещения световода резонатора Фабри-Перо, соосного с центральной частью мембраны, а другая втулка охватывает первую и предназначена для размещения в ней световода второго резонатора Фабри-Перо, при этом торец первой втулки имеет фланец, взаимодействующий с одной стороны с наружным торцом второй втулки, а с другой стороны с прижимной гайкой, взаимодействующей с наружной поверхностью корпуса.

Согласно изобретению оптическое волокно световода каждого резонатора выполнено одномодовым.

Согласно изобретению между корпусом и периферийным кольцевым участком мембраны со стороны ее противолежащей отражающей поверхности расположена прокладка, изолирующая данный участок мембраны от полости, сообщающейся с контролируемой средой.

Согласно изобретению фоторегистрирующий блок выполнен в виде спектрометра с дифракционной решеткой.

При реализации изобретения, благодаря размещению в корпусе изолированных друг от друга световодов обоих резонаторов Фабри-Перо, использованию мембраны с отражающей поверхностью для обоих резонаторов, обеспечивается возможность подсоединения корпуса к общей зоне измерения физических параметров технологической среды, что уменьшает влияние неоднородности температурного поля на измеряемые параметры и повышает точность измерения давления в заданной технологической зоне трубопровода или резервуара.

При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность конструктивных признаков, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решении критериям изобретения: «новизна», «изобретательский уровень».

Изобретение может быть промышленно изготовлено на стандартном оборудовании при использовании для его изготовления унифицированных конструктивных узлов, элементов, деталей, используемых для изготовления различных волоконно-оптических систем, что свидетельствует о соответствии его критерию «промышленная применимость».

Изобретение подтверждается нижеприведенным его описанием.

На Рис.1 показана блок-схема волоконно-оптического устройства для измерения давления.

На Рис.2 показано конструктивное исполнение резонаторов Фабри-Перо.

На Рис.3 - то же, что на Рис.2, вид А.

Волоконно-оптическое устройство для измерения давления содержит:

- Источники излучения 1, каждый из которых выполнен в виде широкополосного полупроводникового светодиода;

- Y-образные волоконно-оптические разветвители 2, 3, входы которых соединены с источниками излучения 1; один из выходов каждого разветвителя оптически связан с резонатором Фабри-Перо.

Один из резонаторов Фабри-Перо предназначен для получения интерференции световых лучей отраженных от поверхности мембраны 4 и торца световода 5 при воздействии давления и температуры контролируемой среды на базовое расстояние «L» между ними. Второй резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции отраженных световых лучей при температурном воздействии среды.

Вторые оптоволоконные выходы разветвителей 2 и 3 сопряжены с блоком регистрации 6 светового излучения, фотоприемная линейка которого через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) связана с процессором 7 обработки цифровых сигналов. Управляющие выходы процессора 7 связаны с источниками излучения 1.

Предпочтительно, в качестве регистрирующего блока 6 используют спектрометр с дифракционной решеткой, обеспечивающий детектирование спектрального распределения излучения.

Световод 5 первого резонатора Фабри-Перо и световод 8 второго резонатора Фабри-Перо расположены в корпусе 9, имеющем две полости, между которыми расположена мембрана 4. Одна из полостей 10 корпуса 9 сообщается с технологической средой и обращена к центральной части мембраны 4 со стороны противолежащей ее отражающей поверхности. В другой полости корпуса 9 размещены изолированные друг от друга световоды 5 и 8 резонаторов Фабри-Перо. Световод 5 первого резонатора Фабри-Перо соосен с вертикальной осью симметрии центральной части мембраны 4. Световод 8 второго резонатора радиально смещен относительно световода 5 первого резонатора и торец его обращен к отражающей поверхности мембраны 4, выполненной на ее периферийном кольцевом участке. Периферийный кольцевой участок изолирован от полости 10 корпуса посредством прокладки 11, расположенной между корпусом и периферийным кольцевым участком мембраны 4 со стороны ее противолежащей отражающей поверхности.

Оптическое волокно каждого световода выполнено одномодовым.

Световоды 5 и 8 резонаторов Фабри-Перо, расположенные в корпусе 9, изолированы друг от друга путем размещения их в соосных, сопряженных между собой втулках 12 и 13. Внутренняя втулка 12 предназначена для размещения соосного с центральной частью мембраны 4 световода 5 первого резонатора Фабри-Перо. Наружная втулка 13 охватывает втулку 12 и предназначена для размещения в ней световода 8 второго резонатора Фабри-Перо. Расположение световодов 5 и 8 во втулках 12 и 13 повышает точность их юстировки, что обеспечивает надежность приема отраженного излучения при работе каждого резонатора.

Втулка 12 имеет фланец 14, взаимодействующий через прокладку 15 с наружным торцом втулки 13 и с наружной стороны с прижимной гайкой 16, устанавливаемой на наружной поверхности корпуса 9. При данном конструктивном исполнении соосных, сопряженных между собой втулок 12 и 13 обеспечивается возможность регулирования посредством прокладки 15 (в том числе, сменной) и прижимной гайки 16 базовых расстояний «L» и «1», где «L» - заданное базовое расстояние между торцом световода 5 и отражающей поверхностью центральной части мембраны 4 первого резонатора Фабри-Перо, «1» - заданное базовое расстояние между торцом световода 8 и отражающей поверхностью периферийного кольцевого участка мембраны второго резонатора Фабри-Перо.

Базовые расстояния «L» и «1» определяются посредством математической обработки всего спектрального распределения излучения, отраженного от соответствующего резонатора Фабри-Перо. Предпочтительно, при длине волны излучения 0,8 мкм и при спектре излучения светодиода, имеющего ширину не менее 35 нм, база интерферометра находится в диапазоне 40 мкм - 150 мкм. Для измерения давления или температуры необходимо провести калибровку заявляемого устройства с помощью датчика-эталона. При этом строится зависимость базы калибруемого устройства от давления или температуры, измеряемых датчиком-эталоном. Далее полученная зависимость запоминается компьютером и в дальнейшем используется при измерении давления или температуры уже откалиброванным устройством.

Используемое в процессоре 7 программное обеспечение обеспечивает анализ, обработку спектров отраженного светового излучения с целью определения давления среды в соответствующей зоне измерения вне зависимости от температуры среды в данной зоне измерения.

В устройстве используют широкополосной полупроводниковый светодиод, например, SLD-34-MP, стандартные одномодовые волоконно-оптические ответвители, например, F-CPL-S22855 компании Newport, стандартные одномодовые волокна, например, HI780 компании Corning. Микропроцессорное устройство может быть выполнено на основе сигнального процессора, например, компании Analog Device.

Широкополосное излучение при поочередном включении светодиодов 1 через оптоволоконный выход в Y-образный разветвитель 2 или 3 попадает в световод 5 или 8 соответствующего резонатора Фабри-Перо, при отражении световое излучение приобретает периодическую модуляцию спектра за счет интерференции волны, отраженной от торца световода, и волны, отраженной от отражающей поверхности соответствующей части мембраны - центральной или ее периферийного кольцевого участка. Период этой модуляции определяется базой «L» или «1» резонатора. Отраженное излучение через волокно световода 5 или 8 проходит через разветвитель 2 или 3 в обратном направлении и через выходные волокна разветвителей проходит в коллиматор спектрометра, дифракционная решетка которого осуществляет спектральное разложение входного светового излучения и через фотоприемную линейку, преобразующую световые сигналы в электрические, последние поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и далее цифровой сигнал поступает в процессор 7, где обеспечивается анализ, обработка спектра отраженного от соответствующего резонатора светового сигнала.

Работа устройства в целом основана на прямом спектральном детектировании и обработке оптического спектра излучения, отраженного от соответствующего резонатора с целью построения зависимости разности фаз интерферирующих волн от оптической частоты, что решается с помощью Фурье-преобразований и соответствующей фильтрации информационного сигнала для определения искомого давления технологической среды вне зависимости от ее температуры в контролируемой зоне.

1. Волоконно-оптическое устройство измерения давления, содержащее источники излучения в виде широкополосных полупроводниковых светодиодов, каждый из которых соединен с Y-образным волоконно-оптическим разветвителем, резонаторы Фабри-Перо, световоды которых соединены с выходом соответствующего волоконно-оптического разветвителя, первый резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции световых лучей, отраженных от поверхности мембраны и торца световода, при воздействии давления и температуры контролируемой среды на базовое расстояние между отражающими поверхностями, второй резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции отраженных световых лучей при температурном воздействии среды, вторые оптоволоконные выходы разветвителей сопряжены с блоком регистрации, фотоприемная линейка которого через аналого-цифровой преобразователь связана с процессором обработки цифровых сигналов, управляющие выходы процессора связаны с источниками излучения, отличающееся тем, что световоды обоих резонаторов Фабри-Перо расположены в корпусе, имеющем две полости, между которыми расположена мембрана, одна из полостей корпуса сообщается с контролируемой средой и обращена к центральной части мембраны со стороны противолежащей ее отражающей поверхности, а в другой полости корпуса размещены изолированные друг от друга световоды резонаторов Фабри-Перо, световод первого резонатора соосен с вертикальной осью симметрии центральной части мембраны, световод второго резонатора радиально смещен относительно световода первого резонатора и торец его обращен к отражающей поверхности мембраны, выполненной на ее периферийном кольцевом участке, который изолирован от полости корпуса, сообщающейся с контролируемой средой.

2. Волоконно-оптическое устройство для измерения давления по п.1, отличающееся тем, что световоды резонаторов Фабри-Перо размещены в соосных, сопряженных между собой втулках, одна из которых, внутренняя, предназначена для размещения световода резонатора Фабри-Перо, соосного с центральной частью мембраны, а другая втулка охватывает первую и предназначена для размещения в ней световода второго резонатора Фабри-Перо, при этом торец первой втулки имеет фланец, взаимодействующий с одной стороны с наружным торцом второй втулки, а с другой стороны с прижимной гайкой, взаимодействующей с наружной поверхностью корпуса.

3. Волоконно-оптическое устройство для измерения давления по п.1, отличающееся тем, что оптическое волокно световода каждого резонатора выполнено одномодовым.

4. Волоконно-оптическое устройство для измерения давления по п.1, отличающееся тем, что между корпусом и периферийным кольцевым участком мембраны со стороны ее противолежащей отражающей поверхности расположена прокладка, изолирующая данный участок мембраны от полости, сообщающейся с измеряемой средой.

5. Волоконно-оптическое устройство для измерения давления по п.1, отличающееся тем, что фоторегистрирующий блок выполнен в виде дифракционного спектрометра с линейкой фотоприемников.