CC BY
57
УДК 53.087
Голев Д.М., Савочкина М.М., Митин Д.В.
ФГБОУ ВПО"Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕРКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
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 ча-
стью. В центре мембраны жестко закреплен (например, с помощью сварки) дифференциальный предельный аттенюатор 3 (шторка) с круглым отверстием на расстояниях 1± и І2 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 б. 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 Ьс круглым отверстием, расположенный на расстоянии 1± относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ, и отводящие оптические волокна ООВ первого и второго измерительных каналов, расположенные на расстоянии L от ПОВ.
ВОПМП работает следующим образом (см. рисунки 1 и 2).
От источника излучения ИИ по подводящему оптическому волокну ПОВ 4 световой поток Фд 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^) и Ф2 (Z), поступающих по отводящим оптическим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) ПИ1 и ПИ2 первого и вто-
рого измерительных каналов соответственно. Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические I и І2, 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 4212-00236897690-98, 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, Сап-
фир) , 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) [5]
Максимальное перемещение центра мембраны ^мах и максимальные напряжения Sмах , возникающие в материале мембраны под действием давления Р, определяются по следующим известным формулам [2]:
W
3(1 -m2) rm2p 16Eh3
Sm
3/P 4h2
< [ s],
где Wмах - максимальный прогиб мембраны под действием давления, мкм; Ru h - радиус и толщина мембраны, мм;
Е - модуль упругости материала мембраны, Н/мм2,для сплава 36НХТЮ:
Е = 195000 Н/мм2=1988,4 кгс/мм2;
m- коэффициент Пуассона материала мембраны; для сплава 36НХТЮ: ц=0,3;
о - допустимое максимальное напряжение, Н/мм2;
[о] - допускаемое напряжение справочное, Н/мм2,для сплава 36НХТЮ:
[ S] = 1200 Н/мм2 = 122,3 кгс/мм2.
На основании расчета строится расчетная зависимость Wpac4=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...2 5 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 WsKcn=f(P), которая сравнивается с расчетной зависимостью Wpac4=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.
ЛИТЕРАТУРА
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 волоконнооптических преобразователях давления отражательного типа / Коломиец Л.Н., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И. // Авиакосмическое приборостроение. - 2007.-№ 11.
5. Этапы измерительного эксперимента/ Мурашкина Т.И., Назарова И.Т.// Надежность и качество: Тр. Междунар. симп.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. - Т. 2.
