Волоконно-оптический расходомер
Использование: техника измерения расхода , преимущественно загрязненный и агрессивных жидкостей и газов Сущность изобретения: чувствительная поворотная лопасть снабжена двумя постоянными магнитами , сопряженными каждый со слоем магнитной жидкости, на границе которой установлен упругий отражающий элемент, волоконные световоды сопряжены с отражателем и подключены к источнику света и приемному дифференциальному усилителю . 1 ил
союз советских
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4871751/10 (22) 05,10.90 (46) 23.10.92. Бюл. N. 39 (75) А,Н. Карасев и С.Г. Журавлев (56) Патент США М 4596422, кл. МКИ 5 G 01 F 15/00, 1986 г. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РАСХОДОМЕР (57) Использование: техника измерения расхода, преимущественно загрязненный и агИзобретение относится к измерительной технике, в частности к конструкциям волоконно-оптических расходомеров с чувствительным элементом в виде поворотной лопасти, которые могут быть использовано для измерения больших расходов загрязненных и агрессивных жидкостей или газов в химической. нефтегазовой и других о-раг лях народного хозяйства, Известны конструкции волоконно-опти ческих расходомеров, в которых волоконнооптический световод, находящийся в измеряемом потоке среды, выполняет роль чувствительного элемента и преобразователя. Эти известные волоконно-оптические расходомеры содержат корпус источник и фотоприемник света, соединенные оптически со световодом, и измеритель Основным недостатком этих известных технических решений является низкая чувствительность и точность, а также узкий диапазон измерений. Кроме этого они требуют сложных измерительных систем, Наиболее близким известными техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является волоконно-оптический расходомер. который содержит волоконно„„ ЫÄÄ 1770756 А1 рессивных жидкостей и газов. Сущность изобретения: чувствительная поворотная лопасть снабжена двумя постоянными магнитами, сопряженными каждый «о слоем магнитной жидкости, на границе которой установлен упругий отражающий элемент, волоконные световоды сопряжены с отражателем и подключены к источнику света и приемному дифференциальному усилителю. 1 ил, оптический канал связи, переключатель, срабатывающий при появлении измеряемо- 3. го пптока, поворотную лопасть, два магнитно связанных постоянных магнита, один из которых установлен на поворотной лопасти, а на втором размещена отражающая поверхность, оптически не связанная со световодом канала ".вязи при отсутствии измеряемого по ока, Недостатками этого 1 д ! 4" звестного Boff(, онно-оптического расходомера являюгся; низкая чувствительность при малых расходах, обусловленна. тем, что Г и сила взаимодействия между двумя полюсами магнитов при притяжении или отталкива- 4 1Г ЮЧ нии обратно пропорциональна квадрату .ф расстояния между ними, поэтому повыша- О с ется порог срабатывания устройства, и кроме этого подвод отражающей поверхности осуществляется под углом к торцу =ветовода, т,к, она расположена на вращающемся магнитном элементе, что ведет K значительной потери светового потока и сн.1жению чувствительности преобразователя; узкие эксплуатационные качества, которые обусловлены односторонностью дейст=.ия расходомера и его узким диап зоном измерений в результате низкой чувстви1770756 тельности при малых расходах и ограниченности угла поворота лопасти при больших расходах, Цель изобретения — повышение чувствительности и расширение эксплуатацион- 5 ных качеств путем установки двух магнитно-оптических преобразователей с магнитоуправляемой отражающей поверхностью, обеспечивающих непрерывное измерение расхода как прямого, так и 10 обратного потока среды. Указанная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом расходомере, содержащем немагнитный корпус с крышкой, в котором размещена на оси поворотная ло- 1 пасть, первая консоль которой установлена через окно поперек оси измерительного участка трубопровода, а вторая консоль связана с первым магнитооптическим преобразователем, включающим постоянный 2 магнит, установленный с возможностью взаимодействия через крышку и подвижным магнитным элементом, на котором размещен элемент с отражающей поверхностью, оптически сопряженной с первым 2 торцом волоконного световода с ответвителем, второй торец которого соединен с приемником света. а также источник света и блок формирования выходного сигнала, первый вход которого соединен с приемни- 3 ком света первого магнитооптического преобразователя, согласно изобретению, в него введены второй идентичный первому магнитооптический преобразователь, первый и второй клинья, установленные с воз- 3 можностью перемещения в горизонтальной плоскости и соединенные с первым и вторым рычагами, оканчивающимися шарнирами, и пластинка эластомера с включениями из магнитотвердого материала, а подвиж- 4 ный магнитный элемент выполнен в виде слоя магнитной жидкости, при этом вторая консоль поворотной лопасти связана с постоянными магнитами первого и второго магнитооптических преобразователей че- 4 рез первые рычаг и клин, установленные по одну сторону от оси поворотной лопасти, и через вторые рычаг и клин, установленные по другую сторону от оси поворотной лопасти, пластинка эластомера размещена меж- 5 ду крышкой корпуса из немагнитного материала и слоем магнитной жидкости, источник света соединен с ответвителями волоконных световодов первого и второго магнитооптических преобразователей, а 5 выход приемника света второго магнитооптического преобразователя соединен со входом блока формирования выходного сигнала, который выполнен в виде дифференциального усилителя. На чертеже представлено продольное сечение волоконно-оптического расходомера. Волоконно-оптический расходомер содержит корпус 1, рабочий канал 2, поворотную лопасть 3, ось 4, крышку корпуса 5 в виде камеры с отверстиями и направляющими для установки элементов преобразователя, два постоянных магнита 6, две направляющих 7 с продольными щелями 8, два подвижных клина 9, два рычага 10, две цилиндрические камеры 11 для установки диэмагнитных подложек 12 со слоем магнитотвердого эластомера 13, слоем магнитной 5 жидкости 14 и магнитоуправляемой отражающей поверхности 15, крышку 16 для герметизации камеры с установки волоконно-оптических световодов 17 канала связи, включающего еще источник излучения 18, 0 разветвитель 19, фотоприемники 20, 21 и дифференциальный усилитель 22, Магнитно-оптический преобразователь включает в себя постоянный магнит 6, слой магнитотвердого эластомерэ 13, слой магнитной 5 жидкости 14, магнитоуправляемую отражающую поверхность 15 и волоконно-оптический световод 17. Поворотная лопасть 3 шарнирно установлена нэ оси 4 так, что ее первая консоль входит через окно в рабочий 0 канал, а вторая ее консоль с помощью рычагов 10 шарнирно соединена с клиньями 9, установленными в щелях 8 направляющих 7. Магниты 6 расположены в направляющих 7 и под действием гравитационных,сил спи. 5 раются на скошенную поверхность клиньев :9. Торцы световодов 17 оптически соединены с отражающими поверхностями 15 через зазор равный начальному рабочему расстоянию используемого волоконно-оптическо0 го преобразователя. Оптические оси световодов 17 и магнитные оси магнитов 6 совмещены, т.е. находятся на одной прямой перпендикулярной магнитоуправляемой отражающей поверх5 ности 15. Светоизлучающая часть световодов 17 и магнитные оси магнитов 6 совмещены, т,е. находятся на одной прямой перпендикулярной магнитоуправляемой отражающей поверхности 15. Светоизлучаю0 щая часть световодов 17 через разветвитель 19 оптически соединена с источником излучения 18, а светопринимающая часть с фотоприемниками 20, 21, выходы которых соединены со входами дифференциального 5 усилителя 22, В качестве источника излучения 18 использовался светодиод типа АЛ-107Б, в качестве световодов 17 использовался волоконно-оптический световод со случайным распределением волокон с диаметром торца 5 мм, апертурой 30 и диамет1770756 ром волокон 50 мкм. В качестве фотоприемников 20, 21 использовались фотодиоды ти-. па ФД-256, а в качестве дифференциального усилителя 22 использовался операционный усилитель на микро- 5 схеме типа К140УД8. Корпус 1 и его крышка 5 могут быть изготовлены из любогодиамагнитного материала повышенной прочности и стойкости к агрессивным средам, например в нашем случае, они изготовлены из 10 полипропилена, Внутренний диаметр ра6очего канала 2 равен 100 мм. Погруженная в рабочий канал 2 первая консоль поворотной лопасти 3 выполнена прямоугольной с параллельными щелями так, что ее площадь составляет 30% площади рабочего канала 2 расходомера. Лопасть 3 и клинья 9 выполнены из бериллиевой бронзы, Подложка 12 выполнена из стеклотекстолита диаметром 25 мм и толщиной 1 мм. При предельной прочности на изгиб 300 МПа она имеет допустимое давление 30 Mila. На подложку 12 нанесен слой магнитотвердого эластомера 13 толщиной 0,5 мм на основе термопласта ИСТ-30 и частиц феррита бария, причем слой магнитотвердого эластомера имеет поперечную намагниченность. На слой 13 нанесен слой магнитной жидкости 14 на основе фторорганических соединений и 30 частиц магнетита, которая равномерно распределяется на поверхности магнитотвердого эластомера и надежно удерживается им. Толщина слоя л:агнитной жидкости равна 0,2 мм, В полном контакте с магнитной жидкостью, т.е. без воздушных зазоров, на нее накладывается магнитоуправляемая отражающая поверхность 15 из любой эластичной пленки с зеркальной поверхностью рактеристикой рефлектометрического преобразователя на вслоконно-оптическом световоде со случайным распределением волокон. Угол отклонения поворотной области 3 может меняться от 0 до 45 в обе стороны. При этом магнит б перемещается на основе полиарилатов или из латуни. В нашем случае использовалась пленка из Ge- 40 риллиевой латуни толщиной 0,05 мм. Магниты 6 выполнены из феррита бария размером 5х15х5 мм и установлены на расстоянии от подложки 12, при котором в отсутствии измеряемой среды в рабочем канале 2 не про- 45 исходит деформации отражающей поверхности 15. В нашем случае оно равно 4 мм. Причем полярность магнитных полюсов магнитотвердого эластомера 13 и маг нитов 6, соединенных магнитно через этот 50 зазор должна быть согласной, Начальный рабочий зазор между торцами световодов 17 и отражающих поверхностей 15 установлен 160 мкм, что обусловлено хав подложке 12 на 3,5 мм, а зазор между торцом световода 17 и отражающей поверхностью 15 изменяется от 160 qn 40 мкм, ! 1редлагаеиыи isi„iud расходомер работает следующим образом. При отсутствии измеряемой среды в рабочем канале 2 расходомера поток света от источника 18 через разветвитель 19 поступает по световодам 17 на магнитоуправляемую отражающую поверхность 15, то т.к, поворотная лопасть 3 не отклоняется, то начальный рабочий зазор между торцами световодов 17 и отражающими поверхностями 15 не изменяется и поэтому отраженный световой поток с равной постоянной амплитудой поступает на фотоприемники 20 и 21, где преобразуются в электрические сигналы, которые подаются на входы дифференциального усилителя 22. С выхода усилителя 22 снимается разностный нулевой сигнал, что говорит об отсутствии расхо- да измеряемой среды, При этом благодаря вычитанию сигналов исключаются погрешности измерений вызванные влиянием окружающей среды, например температуры, атмосферного давления и т.п. При появлении измеряемой среды в рабочем канале 2 при прямой или обратной ее транспортировке, например слева направо, измеряемая среда воздействует на поворотную лопасть 3, отключая ее по ходу движения измеряемого потока; В этом случае левый магнит 6 под воздействием рычагов 10 будет подниматься, а первый магнит 6 будет опускаться. Причем левый магнит 6, приближаясь к подложке 12, начинает взаимодействовать с магнитной жидкостью 14, которую удерживает равномерным слоем магнитное поле магнитотвердого эластомера 13 при отсутствии расхода среды, а правый магнит б.еще более исключается из подобного взаимодействия, т.к, он в этот момент удаляется от магнитной жидкости 14. Взаимодействие левого магнита 6 со слоем магнитотвердого эластомера 13 и магнитной жидкости 14 заключается не в перемещении их в пространстве путем притяжения или отталкивания, как в известных устройствах, а путем сложения полей магнита 5 и магнитотвердого эластомера 13 на локальном участке под торцом световода 17. Так как их магнитные поля включены согласно, то R результате сложения полей проис- ходит локальное увеличсние магнитного поля магнитотвердого эластомера t 3 на участке взаимодействия с магнио 6, что приводит к дополнительному перемещению в эту зону части магнитной жидкости 14, т.е. к локальному увеличению толгцины ".,ëñÿ, Это приводит к деформации отражающей по1770756 верхности 15 8 сторону торца световода 17. Изменение рабочего зазора волоконно-оптического преобразователя вызывает модуляцию светового потока в левом световоде 17 пропорционально расходу измеряемой среды, а в правом световоде световой поток остается неизменным. Световые сигналы с обоих световодов 17 поступают на свои фотоприемники 20 и 21, где преобразуются в электрические сигналы и поступают на входы дифференциального усилителя 22. Так как при этом сигнал от правого магнито-оптического преобразователя остается без изменения, а от левого уменьшается пропорционально расходу среды, то на выходе дифференциального усилителя 22 появляется растущий пропорционально расходу отрицательный сигнал, что говорит о прямом расходе среды, например о ее транспортировке из расходной емкости, При изменении направления потока s рабочем канале 2 расходомера аналогичным образом происходит деформация только правой магнитоуправляемой отражающей поверхности 15, а на выходе усилителя 22 появляется растущий пропорционально расходу положительный сигнал, что говорит об обратном расходе среды. например о ее транспортировке в расходную емкость. Установка в предлагаемом расходомере двух магнитооптических преобразователей при совмещении оптических и магнитных осей в зоне взаимодействия. позволяет в полной мере использовать чувствительность рефлектометрического волоконно-оптического преобразователя на базе световода с расположенными волокнами, которая в 2 раза выше чем у других волоконно-оптических преобразователей, Это приводит к увеличению чувствительности предлагаемого расходомера и к расширению его эксплуатационных качеств, т.к. расширяется диапазон измерений в сторону измерения малых расходов без увеличения площади поворотной лопасти и обеспечивается двустороннее действие расходомера, что говорит о достижении цели изобретения. В нашем случае предлагаемый расходомер использовался в газохранилище для измерения расхода природного газа в режиме двустороннего действия. Максимальный измеряемый расхоу составил 320 мз/ч, в минимальный 10 м /ч, Давление в системе не превышало 5 МПа. При максимальном расходе угол отклонения поворотной лопасти не превышал 40, поэтому возникновения е вибрации отмечено не было, Погрешность по всему диаметру измерений не превышала +.0,5 jo. Формула изобретения 5 Волоконно-оптический расходомер, содержащий немагнитный корпус с крышкой, в котором размещена на оси поворотная лопасть, первая консоль которой установлена через окно поперек оси измерительного 10 участка трубопровода, а-вторая консоль связана с первым магнитооптическим преобразователем, включающим постоянный магнит, установленный с возможностью взаимодействия через крышкус подвижным 15 магнитным элементом, на котором размещен элемент с отражающей поверхностью, оптически сопряженной с первым торцом волоконного световода с ответвителем. второй торец которого соединен с приемником 20 света, а также источник света и блок формирования выходного сигнала. первый вход которого соединен с приемником света пер-. вого магнитооптического преобразователя,. отличающийся тем, что, с целью 25 повышения чувствительности и расширения эксплуатационных качеств за счет непрерывного измерения расхода как прямого, так и обратного потоков среды. в него введены второй идентичный первому магнито30 оптический преобразователь, первый и второй клинья, установленный с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости и соединенные с первым и вторым рычагами, оканчивающимися шарнирами, и 35 пластинка эластомера с включениями из магнитотвердого материала, а подвижный магнитный элемент выполнен в виде слоя магнитной жидкости, при этом вторая консоль поворотной лопасти связана с постоян40 ными магнитами первого и второго магнитооптических преобразователей через первые рычаг и клин, установленные по одну сторону от оси поворотной лопасти, и через вторые рычаг и клин, установленные 45 по другую сторону от оси поворотной лопасти, пластинка эластомера размещена между крышкой корпуса их немагнитного материала и слоем магнитной жидкости, источник света соединен с ответвителями во50 локонных световодов первого и второго магнитооптических преобразователей, а выход приемника света второго магнитооптического преобразователя соединен с вторым входом блока формирования выход55 ного сигнала, который выполнен в видедифференциального усилителя. 1770756 Соста вител ь А. Карасев Техред M.Moðãåíòàë Корректор Н.Бучок Редактор Т.Шагова Производственно-издательский комбинат "Патент"„г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 Заказ 3733 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5
