Устройство для измерения давления

 

Изобретение относится к технике измерения давления газа или жидкости и может быть использовано, например, в метеорологии. Цель изобретения - расширение диапазона измерения и уменьшение температурной погрешности. Измерительным элементом является камера, состоящая из внешнего сильфона 1, наполненного прозрачной жидкостью, и внутреннего сильфона 4, наполненного газом. При изменении внешнего давления подвижные днища 3 и 5 сильфонов 1 и 4 перемещаются таким образом, что расстояние между ними уменьшается с уменьшением измеряемого давления и наоборот увеличивается с ростом давления. В подвижном дне 5 внутреннего сильфона 4 закреплен конец излучающего световода 6, имеющего заданную числовую апертуру. Другой конец световода 6 расположен перед источником 9 света. На неподвижном основании 2 имеются приемные окна волоконно-оптического преобразователя в виде матриц 10,11, представляющих собой ориентированную по диаметру двойную линейную цепочку, выполненную из торцов световодов 14 и 15. Изменение внешнего давления приводит к изменению расстояния между поверхностью основания 2 и дном 5 сильфона 1, отчего изменяется число освещенных приемных торцов световодов 14,15, передающие торцы которых выведены на отсчетную шкалу 16 и к многоэлементному фотоэлектрическому приемнику 17. Температурная компенсация достигается подбором геометрических параметров с учетом различия коэффициентов теплового расширения жидкости и газа, заполняющих сильфоны 1 и 4. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (1)5 G 01 К, 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ иа

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4473603/24-10 (22) 12.08.88 (46) 07.10.90. Бкл. № 37 (71) Ленинградский политехнический институт им. M.È.Êàëèíèíà (72) Г.M.Çàõàðîâ и Н.Г.Захаров (53) 531.787 (088.8) (56) Малогабаритный оптико-механический датчик гидродинамических давлений. ГОСИНТИ, информационный листок № 75-80. — M. 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике измерения давления газа или жидкости

„„SU„„1 1597630 А 1

2 и может быть использовано, например, в метеорологии, Цель изобретения— расширение диапазона измерения и уменьшение температурной погрешности.

Измерительным элементом является камера, состоящая из внешнего сильфона

1, наполненного прозрачной жидкость10, и внутреннего сильфона 4, наполненного газом. При изменении внешнего . давления подвижные днища 3 и 5 сильфонов 1 и 4 перемещаются таким образом, что расстояние между ними уменьшается с уменьшением измеряемого давления и наоборот увеличивается с ростом давления. В подвижном дне

5 внутреннего сильфона 4 закреплен

1597630

10 конец излучающег.о световода 6, имеющего заданную числовую аппаратуру.

Другой конец световода 6 расположен перед источником 9 света. На неподвижном основании 2 имеются приемные окна волоконно-оптического преобразователя в виде матриц 10, 11, представляющих собой ориентированную . по диаметру двойную линейную цепочку, выполненную из торцов световодов

14 и 15. Изменение внешнего давления приводит к изменению расстояния межИзобретение относится к технике измерения давления газов и жидкостей, в частности устройство может быть применено в метеорологии для регистрации атмосферного давления.

Ю

Цель изобретения — расширение диапазона измеряемых давлений и уменьшение температурной погрешности. 25

На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства с продольным разрезом датчика давления; на фиг.2— приемные окна оптиковолоконных мат риц, вид сверху. 30

Устройство имеет заполненный проз.рачной жидкостью сильфон 1, который установлен на основании 2, внутри сильфона 1 íà его подвижном дне 3 соосно установлен заполненный газом сильфон 4, имеющий подвижное дно 5.

В стенке дна 3 и 5 герметично укреп" лено оптическое волокно излучающего световода 6, изогнутый участок 7 которого расположен внутри сильфона 40

4. Передающий торец 8 световода 6 расположен в сильфоне 1, ориентирован параллельно оси камеры и имеет прямое передающее окно, а перед приемным окном световода 6 расположен 45 источник 9 света. На основании 2 герметично установлены приемные окна оптиковолоконных матриц 10 и 11. Передающие окна 12 и 13 соединены с приемными окнами посредством световодов 14 и 15. Окно 13 выведено на визуальную шкалу 16, а перед окном

12 установлен многоэлементный фотоэлектрический приемник 17. Оптические световоды 6, 14 и 15 имеют световедущие сердцевины 18 и оптические оболочки 19.

Сильфон 1 воспринимает изменения внешнего давления и передает их сильду поверхностью основания 2 и дном

5 сильфона 1, отчего изменяется число освещенн,Ix приемных торцов световодов 14, 15, передающие торцы которых введены на отсчетную шкалу 16 и к многоэлементному фотоэлектрическому приемнику 17.. Температурная компенсация достигается подбором геометрических параметров с учетом различия коэффициентов теплового расширения жидкости и газа, заполняющих сильфоны 1 и 4. 2 ил. фону 4, основание 2 служит основой для монтажа сильфона 1 и окон оптиковолоконных матриц 10 и 11. Сильфон

4 воспринимает изменения давления "в. сильфоне 1. Излучающий световод 6 предназначен для передачи света от источника 9 на приемные окна матриц .

10 и 11. Торец 8 световода 6 формирует световой конус в пределах апертурного угла. Участок 7 предназначен для осуществления свободного перемещения дна 5 сильфона 4. Приемные окна матриц 10 и 11 предназначены для регистрации границ светового пятна от света, излучаемого оптическим световодом 6 через торец 8. Передающее окно 13 служит вместе со шкалой

16 для визуальной регистрации показаний прибора, передающее окно 12 служит для передачи оптических сигналов на фотоэлектрический приемник

17, который вырабатывает электрические сигналы для передачи в электронную схему регистрации. Сердцевина

18 световодов служит для переноса света, а оптическая оболочка 19 для каналирования; света в пределах апертурного угла. Заштрихованный участок фиг.2 показывает возможное положение светового пятна на приемных окнах матриц 10 и 11.

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Давление жидкости в сильфоне 1 и давление газа в сильфоне 4 поддерживаются равными (если пренебречь жесткостью стенок сильфонов) внешнему давлению атмосферы. При данном значении последнего устанавливается определенное расстояние между излучающим свет торцом 8 и приемными (D2 1 I)/, пг (x

Х .Ф

5 15 окнами матриц 10 и 11. При заданном значении апертурного угла световода

6 освещено световым конусом соот1 ветствующее число равноудаленных от центра оптических волокон матриц

-10 и 11. Число освещенных оптических волокон, зависящее от внешнего давления, отмечают на оптической шкале

16 и фиксируют с помощью фотоэлектрического приемника 17. При повышении внешнего давления сильфон 1 сжимается, давление через жидкость передается на сильфон 4, который также сжимается и давление газа в нем уравновешивается с давлением внешней среды.

При этом сокращение расстояния между поверхностью основания 2 и дном 3 сильфона 1 будет меньше, чем сокращение расстояния между днищами 3 и

5 сильфонов в D /d крат, где D— диаметр внешнего сильфона 1, а d диаметр внутреннего сильфона 4 . Таким образом, при увеличении внешнего давления расстояние между торцом 8 оптического световода 6 и приемными окнами матриц 10 и 11 светопреобразователя увеличивается и число освещенных торцов световодов 14 и !5 также возрастает, что отображается на шкале 16 и на показаниях приемника 17. При уменьшении внешнего давления сильфоны 1 и 4 растягиваются, но величина растяжения сильфона

4 преобладает над величиной растяже- . ния сильфона 1. В результате расстояния между торцом 8 световода 6 и приемными окнами матриц 10 и 11 сокращается и число освещенных волоконных световодов 14 и 15 пропорционально уменьшается, что приводит к изменению отсчета по шкале 16 и изменят показания приемника 17 ° Дифференциальное устройство с двумя сильфонами 1 и 4 позволяет осуществить температурную компенсацию показаний прибора. При апертурных углах оптического световода 6, превышающих

90 (с учетом показателя преломления жидкости, заполняющей сильфон), реализует геометрическое усиление зависимости числа освещенных волокон приемных световодов от давления, пропорциональное tg с(/2, где 4 — угол при вершине светового конуса в жидкости. Например, при a(/2 = 84 осуществляется десятикратное усиление чувствительности. Задавая значения

D, d и e(, можно выбрать оптималь97630 б ную зависимость показаний прибора от и змеи ений внешнег о да вл ения .

Изменение объема сильфонов 1 и 4 связано не только с вариациями внеш5 него давления, но, если не принять мер против этого, может зависеть от изменений температуры окружающей среды. Для рассмотрения вопроса о температурной компенсации показаний прибора введем обозначения: Ч и чобъемы сильфонов 1 и 4„ и я — коэффициенты теплового расширения жидкости, заполняющей сильфон 1, и газа, заполняющего сильфон 4, 1, d, L, Dвысоты и диаметры сильфонов 4 и 1.

Если использовать сильфоны и рабочие среды с такими параметрами, при которых выполняется соотношение то в случае изменения температуры при сохранении постоянства внешнего дав25 ления сильфоны 1 и 4 изменяют свои объемы с соблюдением условия Д1

= —.Д1., т. е. имеется температурная компенсация в интервале, где коэффициенты теплового расширения сохраняют постоянные значения.

При выборе рабочей жидкости следует учитывать, что где о(— апертурный угол оптического волокна световода 6, пог° руженного в жидкость, а a ã — то же, находящегося в газе;

n и и — соответственно показатели преломл.ения жидкости и газа.

Ввиду того, что поперечное сечение оптических волокон световодов представляет собой центральный круг световедущей сердцевины, который окружен кольцевым слоем оптической оболочки, которая имеет конечную толщину, то для повышения разрешающей способности путем исключения "слепых" зон приемные окна матриц 10 и

11 целесообразно выполнить в виде цепочки, включающей по крайней мере два ряда световолокон с шахматным расположением (фиг.2) °

55 I формулаизобретения

Устройство для измерения давления, содержащее датчик давления с упругим

1597630

Составитель Н.Матрохина

Техред М.Ходанич Корректор Т.Малец

Редактор R.Папп

Заказ 3044 Тираж 459 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 чувствительным элементом, установлен- ным на основании корпуса, и волоконно-оптический преобразователь с излучающим и приемными световодами, ис5 точником света и регистратором, отличающеесятем,что,с целью расширения диапазона измеряемых давлений и уменьшения температурной погрешности, в нем упругий чувствительный элемент выполнен в виде двух сильфонов разного диаметра, установленных коаксиально, причем первый сильфон с большим диаметром герметично прикреплен к основанию корпуса и заполнен прозрачной жидкостью, а второй сильфон меньшего диаметра своим основанием жестко связан с дном первого сильфона, заполнен газом и его дно расположено с 20 зазором относительно основания корпуса, при этом в дне первого и второго сильфонов по оси выполнены отверстия„через которые концевая часть излучающего световода, выполненная изогнутой, герметично выведена своим торцом в полость первого сильфона, а приемные световоды выполнены в виде двух пучков и своими торцами выведены на поверхность основания корпуса и образуют две приемные матрицы, расположенные по диаметру основания, при этом регистратор выполнен в виде многоэлементного фотоэлектрического приемника, оптически связанного с одним из пучков приемных световодов, и отсчетной шкалы, соединенной с концами приемных световЪдов вторorо пучка.