VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Аннотация

Основанием к написанию данной стать послужило стремление снизить себестоимость волоконно-оптических датчиков, упростить и удешевить этап разработки и отладки. Данная статья является результатом научного исследования, в результате которого была разработана измерительная установка для экспериментальной проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика давления, а также даны рекомендации по конструктивному исполнению дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления.

Ключевые слова

измерительная установка; волоконно-оптический датчик; давление; механическая преобразующая система; мембрана; аттенюатор; экспериментальная проверка;

Введение

Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики давления (ВОДД).

Существующие в настоящее время датчики и системы измерения давления, основанные на таких физических принципах как емкостный, тензорезистивный, индуктивный и т.п. требуют в конструкции изделия дополнительных систем и контуров защиты от случайного проскакивания искры, так как в качестве передающей физической среды используется электричество.

Авторы работы в рамках научного студенческого кружка «Волоконно-оптическое приборостроение» на основе известного технического решения по патенту РФ № 2290605, в котором описан волоконно-оптический датчик избыточного давления аттенюаторного типа, разрабатывают волоконно-оптический датчик разности давлений (ВОДРД).

Рассматриваемая в работе установка позволяет исключить оптоволокно из конструкции датчика на начальных этапах проектирования, тем самым существенно снижая его себестоимость за счет исключения процедур юстировки и настройки оптической системы датчика на этапе отработки мембранного блока. Также данная установка может быть использована для проверки и уточнения математических расчетов параметров мембран волоконно-оптических датчиков других видов давления (избыточного, абсолютного, гидростатического).

1 Априорные сведения о дифференциальном волоконно-оптическом датчике давления аттенюаторного типа по патенту РФ № 2290605[1]

На рисунке 1 приведена упрощенная конструктивная схема волоконно-оптического датчика избыточного давления аттенюаторного типа, который является прототипом разрабатываемого дифференциального ВОДД с предельным аттенюатором.

Рисунок 1. - Упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального ВОДД с предельным аттенюатором

Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 (например, с помощью сварки) или является его частью. В центре мембраны жестко закреплен (например, с помощью сварки) дифференциальный предельный аттенюатор 3 (шторка) с круглым отверстием на расстояниях l₁ и l₂ относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4 и приемных торцов отводящих оптических волокон ООВ 5 первого и второго измерительных каналов соответственно. ПОВ 4 и ООВ 5 жестко закреплены в корпусе 6. Юстировка волокон относительно отверстия в аттенюаторе 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.

Измеряемое давление воспринимается мембраной 1, при этом аттенюатор 3 смещается относительно подводящих и отводящих волокон, что ведет к изменению интенсивности световых потоков, поступивших в отводящие оптические волокна. Таким образом, преобразователем измерительной информации является дифференциальный волоконно-оптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП).

На рисунке 2 приведена расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПМП с предельным аттенюатором, являющегося базовым элементом ВОДД.

Рисунок 2. – Упрощенная расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПМП

с предельным аттенюатором с круглым отверстием

ВОПМП содержит аттенюатор 1 толщиной tс круглым отверстием, расположенный на расстоянии l₁ относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ, и отводящие оптические волокна ООВ первого и второго измерительных каналов, расположенные на расстоянии Lот ПОВ.

ВОПМП работает следующим образом (см. рисунки 1 и 2).

От источника излучения ИИ по подводящему оптическому волокну ПОВ 4 световой поток направляется в сторону аттенюатора 3. Под действием измеряемой физической величины (давления) аттенюатор перемещается на величину Z относительно торцов отводящих оптических волокон ООВ 5, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф₁(Z) и Ф₂(Z), поступающих по отводящим оптическим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно. Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические I₁ и I₂, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ).

2 Разработка измерительной установки для проверки достоверности результатов математического моделирования механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика разности давления

Для снижения себестоимости и упрощения этапа разработки была предложена установка, имитирующая воздействие разности давления на механическую преобразующую систему ВОДРД (рисунок 3).

Рисунок 3. - Измерительная установка для проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика разности давления

Измерительная установка для снятия экспериментальных зависимостей W=f(P) состоит из поверочного калибратора давления, стойки, установленной на массивном основании, индикатора часового типа (ИЧТ), исследуемого ВОДРД. На стойке неподвижно закреплены приспособления для установки ИЧТ и исследуемого ВОДРД.

Для калибровки используется поверочный калибратор давления Метран-ПКД-10 ТУ 4212-002-36897690-98, включающий: электронный блок индикации (ЭБИ), внешний модуль давления, источник создания давления (помпа ручная пневматическая), кабель электрический для подключения к сети и кабель пневматический для подачи измеряемой среды, давление которой измеряется (рисунок 4).

Рисунок 4. - Поверочный калибратор давления Метран-502-ПКД-10П

Портативный калибратор давления Метран-502-ПКД-10П предназначен для точного измерения и воспроизведения избыточного давления и разрежения в диапазоне 0…25000 кПа с погрешностью не более 0,1%. Применяется в качестве эталона при поверке и калибровке - поверки средств измерений давления: датчиков давления, разности давлений по ГОСТ 22520 (например, датчиков серий Метран, Сапфир), показывающих и самопишущих манометров и других аналогичных приборов и устройств и в качестве цифрового манометра при мониторинге процессов измерения давления.

В состав калибратора давления входит ручной пневматический насос Н2,5М,предназначенный для создания избыточного давления в образцовом и поверяемом средстве измерений давления. Диапазон задания давления: от 0 до 2,5 МПа.

В установке используется индикатор часового типа с погрешностью не более 0,5 мкм. Измерительный шток ИЧТ в нейтральном положении (0 на шкале) контактирует с верхней мембраной (мембраной минусовой камеры). Мембрана нижней (плюсовой) камеры расположена со стороны основания для крепления датчика.

Калибратор соединен с датчиком с помощью пневматического кабеля через резьбовое соединение в основании для крепления датчика.

В процессе экспериментальных исследований используется имитационная модель датчика без волоконно-оптического тракта (то есть отсутствуют оптические волокна), включающего только механическую преобразующую систему, параметры которой соответствуют расчетным. Такое техническое решение снижает стоимость разработки.

Методика выполнения исследований по определению экспериментальных зависимостей W=f(P)

Максимальное перемещение центра мембраны W_мах и максимальные напряжения, возникающие в материале мембраны под действием давления Р, определяются по следующим известным формулам [2]:

, ≤ [],

где W_мах – максимальный прогиб мембраны под действием давления, мкм;

R_{м, h} - радиус и толщина мембраны, мм;

Е - модуль упругости материала мембраны, Н/мм²,для сплава 36НХТЮ:

Е = 195000 Н/мм²=1988,4 кгс/мм²;

- коэффициент Пуассона материала мембраны; для сплава 36НХТЮ: μ=0,3;

σ - допустимое максимальное напряжение, Н/мм²;

[σ] - допускаемое напряжение справочное, Н/мм²,для сплава 36НХТЮ:

[] = 1200 Н/мм²=122,3 кгс/мм².

На основании расчета строится расчетная зависимость Wрасч=f(P).

Первоначально проводится калибровка измерительной установки с помощью образцового манометра в соответствии с инструкцией по эксплуатации на поверочный калибратор давления Метран-ПКД-10 ТУ 4212-002-36897690-98.

Затем образцовый манометр отсоединяется, и к калибратору подключается разрабатываемый ВОДРД. С помощью калибратора воспроизводится давление P в заданном диапазоне измерения (например 0,1…25 кгс/см² с шагом 1 кгс/см²), которое по пневматическому кабелю передается на мембрану плюсовой камеры, соединенную с помощью штока с мембраной минусовой камеры. Прогиб W центра этой мембраны с помощью ИЧТ измеряется. По результатам измерений строится зависимость экспериментальная зависимость Wэксп=f(P), которая сравнивается с расчетной зависимостью Wрасч=f(P).

При степени совпадения результатов расчета и эксперимента до 90%, расчетные параметры механической преобразующей системы принимаются окончательно и закладываются в конструкцию ВОДРД. В противном случае необходимо уточнить параметры механической преобразующей системы и повторить эксперимент.

Заключение

- Разработана измерительная установка для экспериментальной проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика разности давления.

- Даны рекомендации по конструктивному исполнению дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления.

Использование имитационной модели датчика, включающего только механическую преобразующую систему, снижает цену разработки вследствие отсутствия волоконно-оптического тракта и дорогостоящего электронного блока преобразования информации, а также неэффективных затрат на проведение многочисленных испытаний ВОДРД в процессе проектирования.

Благодарность

Выражаем благодарность нашему научному руководителю д.т.н., проф.Татьяне Ивановне Мурашкиной.

Библиографический список

1 Патент РФ № 2290605, МПК6 G01 L 19/04 Волоконно-оптический преобразователь перемещения/ А. Г. Пивкин, Т. И. Мурашкина, Е. А. Бадеева /Опубл.27.12.2006 Бюл. №36.

2 Технологические основы проектирования ВОД давления для искро-, взрыво-, пожароопасных инженерно-технических объектов // Бадеева Е.А., Пивкин А.Г., Мурашкина Т.И. // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп.– Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. – Т. 2.

3 Функция преобразования дифференциального ВОД давления отражательного типа/ Коломиец Л.Н., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. // Авиакосмическое приборостроение. – 2007. – № 8.

4 Определение условий реализации дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа / Коломиец Л.Н., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И. // Авиакосмическое приборостроение. – 2007.−№ 11.

 

Код для цитирования: Скопировать