CC BY
13
УДК 53.087
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕРКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
Д. М. Голев, М. М. Савочкина, Д. В. Митин
MEASURING DEVICE FOR CONTROL OF MECHANICAL SYSTEMS TRANSFORMING FIBER OPTIC PRESSURE SENSOR
D. M. Golev, M. M. Savochkina, D. V. Mitin
Аннотация. Широкое внедрение волоконно-оптических датчиков (ВОД) в ракетно-космической и авиационной технике требует применения современных технологий их изготовления, снижающих себестоимость и повышающих технологичность. Наиболее сложным технологическим этапом является процедура юстировки и регулировки оптической системы ВОД. Необходима минимизация затрат на данные процедуры, особенно в тех случаях, когда они тесно связаны с преобразованиями в механической преобразующей системе датчиков. В связи с этим становится актуальным создание экспериментальной установки для определения конструктивно-технологических параметров механической преобразующей системы, значительно снижающей затраты на проектирование и разработку волоконно-оптических датчиков.
Ключевые слова: измерительная установка; волоконно-оптический датчик; давление; механическая преобразующая система; мембрана; аттенюатор; экспериментальная проверка.
Abstract. Wide implementation of fiber-optic sensors (FOS) in aerospace and aeronautical equipment calls for contemporary technologies, which lower the prime cost and improve machinability. Most complicated development stages are alignment and adjustment of FOS's optical system. It is essential for minimize expenses at that stages. In this context we must develop measuring unit for experimental verification of engineering specifications of mechanical converting system. Appliance of this unit in design phase can greatly reduce material and time expenses for testing and alignment of fiber-optic sensor in comparison with known methods of finalization engineering specifications of FOPS.
Key words: measuring unit; fiber-optic sensor; pressure; mechanical converting system; membrane; attenuator; experimental verification.
Априорные сведения о дифференциальном волоконно-оптическом датчике
давления аттенюаторного типа по патенту РФ № 2290605 [1]
На рис. 1 приведена упрощенная конструктивная схема волоконно-оптического датчика избыточного давления аттенюаторного типа, который является прототипом разрабатываемого 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. Юсти-
ровка волокон относительно отверстия в аттенюаторе 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.
Рис. 1. Упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального ВОДД с предельным аттенюатором
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 рис. 2 приведена расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПМП с предельным аттенюатором, являющегося базовым элементом ВОДД.
Рис. 2. Упрощенная расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПМП с предельным аттенюатором с круглым отверстием
ВОПМП содержит аттенюатор 1 толщиной ^ с 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 Ь от ПОВ.
ВОПМП работает следующим образом (рис. 1, 2).
От источника излучения ИИ по подводящему оптическому волокну ПОВ 4 световой поток Ф0 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 Ф^. и Ф2(.), 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 11 и 12, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ).
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 (рис. 3).
Рис. 3. Измерительная установка для проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика разности давления
Измерительная установка для снятия экспериментальных зависимостей Ж = _ДР) 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 Мет-ран-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 (рис. 4).
Портативный калибратор давления Метран-502-ПКД-10П предназначен для точного измерения и воспроизведения избыточного давления и разрежения в диапазоне 0.. .25 000 кПа с погрешностью не более 0,1 %. Он 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.
Рис. 4. Поверочный калибратор давления Метран-502-ПКД-10П
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 = Д(Р)
Максимальное перемещение центра мембраны Wмах и максимальные напряжения амах, возникающие в материале мембраны под действием давления Р, определяются по следующим известным формулам [2]:
W = 3(1 V) Rм 2 Р мах 16Е^ '
з^4P - [ ]
амах ГТ - [ а ]
4h2
где Wмaх - максимальный прогиб мембраны под действием давления, мкм; Rм, h - радиус и толщина мембраны, мм; Е - модуль упругости материала мембраны, Н/мм ; для сплава 36НХТЮ: Е = 195000 Н/мм2 = 1988,4 кгс/мм2; ц - 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: [о] = 1200 Н/мм2 = = 122,3 кгс/мм2.
На основании расчета строится расчетная зависимость ^расч = ДР).
Первоначально проводится калибровка измерительной установки с помощью образцового манометра в соответствии с инструкцией по эксплуатации на поверочный калибратор давления Метран-ПКД-10 ТУ 4212-00236897690-98.
Затем образцовый манометр отсоединяется и к калибратору подключается разрабатываемый ВОДРД. С помощью калибратора воспроизводится давление Р 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 экспериментальная зависимость ^Рэксп = ДР), которая сравнивается с расчетной зависимостью ^расч = ДР).
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 раз-
ности давления и 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.
Список литературы
1. Патент РФ № 2290605, МПК6 в01 Ь 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 / Е. А. Бадеева, А. Г. Пивкин, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2.
3. Функция преобразования дифференциального ВОД давления отражательного типа / Л. Н. Коломиец, Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин // Авиакосмическое приборостроение. - 2007. - № 8.
4. Коломиец, Л. Н. Определение условий реализации дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа / Л. Н. Коломиец, Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина // Авиакосмическое приборостроение. - 2007. - № 11.
Голев Денис Михайлович
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Golev Denis Michailovich student,
Penza State University
Савочкина Мария Михайловна
студентка,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Митин Денис Вячеславович
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Savochkina Maria Mikhailovna student,
Penza State University
Mitin Denis Vyacheslavovich student,
Penza State University
УДК 53.087 Голев, Д. М.
Измерительная установка для проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика давления / Д. М. Голев, М. М. Савочкина, Д. В. Митин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2014. - № 2 (10). - С. 140-145.
