Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 681.586'326.681.7.068
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК АТТЕНЮАТОРНОГО ТИПА
w 1
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ1
STRUCTURAL AND TECHNOLOGICAL FEATURES OF FIBER-OPTIC DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR WITH ATTENUATOR
1) Рубцов Игорь Сергеевич
директор научно-аналитического центра
Е-mail: jurist_igor@mail.ru
2)
Мурашкина Татьяна Ивановна
д-р техн. наук, профессор Е-mail: timurashkina.pgu@mail.ru
3) Серебряков Дмитрий Иванович канд. техн. наук, нач. лаборатории Е-mail: sdikoi@rambler.ru
2) Бадеева Елена Александровна канд. техн. наук, доцент Е-mail: badeeva_elena@mail.ru
4) Пивкин Александр Григорьевич канд. техн. наук, доцент, ген. директор Е-mail: ana12@bk.ru
5) Коломиец Лев Николаевич канд. техн. наук, ген. директор Е-mail: l.kolomiets@mail.ru
2) Голев Денис Михайлович студент
Е-mail: golevdm@gmail.com
1} ФГУП "НПО "Техномаш", Москва
2) Пензенский государственный университет, г. Пенза
3) НИИ физических измерений", г. Пенза
4) ООО "НИИ гравитации", г. Пенза
5) ООО "Приборы автоматизированных систем ПАС", г. Москва
Аннотация: Рассмотрены конструктивно-технологические особенности волоконно-оптического датчика разности давления атгенюаторного типа, реализующего дифференциальное преобразование оптических сигналов, предназначенного для применения в зоне радиации и повышенных температур. Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, разность давления, микроперемещения, искро-взрыво-пожароопасность, радиация, аттенюатор.
1} Rubtsov Igor S.
Director of the scientific-analytical center Е-mail: jurist_igor@mail.ru
2) Murashkina Tatyana I.
D. Sc. (Tech.), Professor Е-mail: timurashkina.pgu@mail.ru
3) Serebryakov Dmitry I.
Ph. D. (Tech.), Head of Laboratory sdikoi@rambler.ru
2) Badeeva Elena A.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor Е-mail: badeeva_elena@mail.ru
4) Pivkin Aleksandr G.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor, General Director Е-mail: ana12@bk.ru
5) Kolomiets Lev N.
Ph. D. (Tech.), General Director Е-mail: l.kolomiets@mail.ru
2) Golev Denis M.
Student
Е-mail: golevdm@gmail.com
1) R & D company "Tekhnomash", Moscow
2) Penza State University, Penza
3) JSC "Research institute of physical measurements", Penza
4) LLC "Research institute of gravitation", Penza
5) LLC "Automated Sytem Devices PAS", Moscow
Abstract. A new structural and technological solutions for fiber optic differential pressure sensor (FODPS) with attenuator. It implements differential conversion of optical signals in the perceptual information measuring zone and can be used destined for application in the area of radiation and high temperatures.
Keywords: fiber-optic sensor, pressure differential, micromovings, spark-explosion-fire hazard, radiation, attenuator.
1 При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ ведущей научной школы РФ "Волоконно-оптическое приборостроение".
30
Sensors & Systems • № 3.2015
ВВЕДЕНИЕ
В условиях повышенной радиации и возможной искро-взрыво-пожароопасности, например, при измерениях разности давления вблизи первого контура атомного реактора, целесообразно применение волоконно-оптического датчика разности давления (ВОДРД) [1, 2].
Для указанных условий авторами разработано несколько вариантов ВОДРД, отличающихся друг от друга конструктивным исполнением отдельных составных элементов. В данной статье рассмотрен один из вариантов конструкции дифференциального ВОДРД аттенюаторного типа (см. рисунок).
Отличительной особенностью указанного датчика является применение в нем в качестве базового элемента волоконно-оптического преобразователя микроперемещений (ВОПМП 1) с предельным аттенюатором, подробно описанного в работах [3—5].
Перед авторами стояла задача вписать указанный ВОПМП в конструкцию нового ВОДРД. Задача существенно упростилась тем, что ранее была разработана конструкция волоконно-оптического датчика избыточного давления (ВОДИД) аттенюаторного типа, в состав которого входил
ВОПМП [5]. Из известной конструкции заимствованы отдельные технические решения, что позволило повысить степень унификации и технологичность нового ВОДРД.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВОДРД
ВОПМП 1 (см. рисунок), входящий в состав ВОДРД, выделен штриховой линией. Он представляет собой конструктивную совокупность подводящих ПОВ 2 и отводящих ООВ 3 оптических волокон, закрепленных в несущей детали 4 напротив друг друга и соосно с круглым отверстием в аттенюаторе (шторке) 5, перемещающемся относительно торцов оптических волокон.
При перемещении аттенюатора 5 вдоль продольной оси датчика изменяются интенсивности световых потоков, поступающих от источника излучения (ИК-светодиода) по ПОВ 2 через отверстие в шторке по ООВ 3 на приемники излучения (фотодиоды) первого и второго измерительного каналов [5].
Конструктивно-технологические особенности нового ВОДРД следующие.
ВОДРД содержит корпус 6, состоящий из двух идентичных половинок (верхней и нижней), каж-
Сварка 7
Сварка
6 4
12 Сварка
13 Сварка
6 8
ПОВ 2
10
Конструкция ВОДРД
дая из которых может заканчиваться штуцером, или один торец корпуса может быть выполнен в виде штуцера, а по периметру другого торца (показан штрихпунктирной линией) могут быть выполнены выемки для сварки (для сварного соединения с объектом).
Во внутренней, широкой части корпуса 6, имеется резьба, с помощью которой в корпус вворачивается несущая деталь 4 с установленными на ней элементами предварительно отъюстированного ВОПМП 1. В рабочих торцах детали 4 с помощью сварки в углублениях устанавливаются мембраны 7 и 8 плюсовой и минусовой камер датчика. Мембраны 7 и 8 выполнены с жесткими центрами, в углублениях которых неподвижно установлен шток 9 с закрепленным на нем в центральной части с помощью сварки аттенюатором 5. Аттенюатор 5 должен быть как можно тоньше для снижения потерь светового потока, в то же время он должен быть надежным и не прогибаться при механических воздействиях. Рекомендуемые значения толщины металлической шторки 0,2...0,3 мм.
В детали 4 имеется поперечная центральная выемка, в которую протягиваются ПОВ 2 и ООВ 3. Рабочие торцы оптических волокон с помощью винтов 10 закрепляются в центральном выступе 11 детали 4. Выступ 11 со стороны аттенюатора срезается, чтобы имелся визуальный доступ к узлу "ПОВ 2 — аттенюатор 5 — ООВ 3" для осуществления процедуры его юстировки.
Корпуса 6 плюсовой и минусовой камер и несущая деталь 4 соединяются между собой сваркой. Поверх сварного соединения установлено кольцо 12, внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру корпуса 6, имеющее сквозную прорезь для установки оптических волокон в детали 4. Во втулке 13 установлен общий жгут оптических волокон ПОВ 2 и ООВ 3. Для обеспечения герметичности конструкции датчика корпус 6, кольцо 12 и втулка 13 соединены между собой сваркой.
В предлагаемом ВОДРД часть светового потока источника излучения по ПОВ 2 подается в зону измерения. Под апертурным углом оптического волокна расходящийся световой поток Фо с выхода ПОВ 2 падает на аттенюатор 5, проходит сквозь него через круглое отверстие. Часть оптического излучения Ф1(2) = Ф^ЛР) проходит через отверстие в аттенюаторе, поступает на приемные торцы ООВ 3 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2(2) = Ф2(ЛР) — на
приемные торцы ООВ 3 второго измерительного канала. Превышение "плюсового" давления над "минусовым", равное ЛР, вызывает деформацию мембран 7 и 8, в результате чего появляется смещение штока 9. Это приводит к перемещению Z отверстия в аттенюаторе относительно ООВ 3, вызывающего изменение интенсивностей световых потоков Ф1(2) и Ф2(2), поступающих далее по ООВ 3 на светочувствительные площадки приемников излучения первого и второго измерительных каналов соответственно. Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические /1 и /2, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ), отнесенного в безопасные условия из искро-взрыво-пожаро-опасной зоны на расстояние 100...2000 м. В БПИ осуществляется операция деления сигналов /1 и /2, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов. Для повышения чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности сигналов /1 и /2 к их сумме.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемый ВОДРД реализует дифференциальное преобразование светового потока в зоне измерения, чем достигаются более линейная функция преобразования, более высокая точность измерения разности давления в условиях воздействия внешних воздействующих факторов. Значительно снижается влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды и изгибов волоконно-оптического кабеля, снижаются погрешности, обусловленные изменением мощности источников излучения, неточностью юстировки оптических волокон и шторки относительно друг друга, так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в обоих измерительных каналах, которые не влекут изменения их отношения.
ВОДРД предлагаемой конструкции обеспечит высокую надежность в условиях искро-взрыво-пожароопасности, воздействия радиации, электромагнитных помех при эксплуатации в зоне установок с сильным электромагнитным полем. Дополнительные преимущества — небольшие габаритные размеры и возможность использования в условиях повышенных до 500 °С температур.
32
вепвогв & Эувгетв • № 3.2015
ЛИТЕРАТУРА
1. Мурашкина Т. И, Пивкин А. Г., Коломиец Л. Н. и др. Ради-ационно-стойкий волоконно-оптический датчик разности давления для первого контура атомных реакторов // Междунар. симп. "Надежность и качество—2014". В 2 т. / Под ред. Н. К. Юркова. — Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2014. — Т. 2. —С. 71—74.
2. Положительное решение от 1.12.2014 по заявке на изобретение № 2013102403/28 (003277) от 17.01.2013 Дифференциальный волоконно-оптический датчик разности давления / Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, Л. Н. Коломиец и др.
3. Мещеряков В. А, Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А, Пивкин А. Г. Волоконно-оптические датчики аттенюаторног
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.