Оптоэлектронный расходомер и способ изготовления его датчика разности давлений

1 Настоящее изобретение относится к измерительной технике, а более точно - к электронным расходомерам с волоконно-оптическими датчиками разности давлений и может быть использовано в контрольно-измерительных системах и счетчиках-расходомерах газа,жидкости и пара, преимущественно в коммунально-бытовой сфере. Известен расходомер (СССР,1719944),содержащий сужающее устройство, датчик разности давлений, включающий в себя источник оптического излучения, нематический жидкий кристалл и фотоприемник, усилитель и цифровой индикатор. Дрейф нуля и синфазные помехи в цепях датчика разности давлений с одним электрическим выходом приводят к существенным погрешностям измерения расхода. Снижение мощности излучения источника из-за старения или изменения режима электропитания вносит значительную систематическую погрешность в измерение расхода. Также известен расходомер газа (USA, 4918994), содержащий трубопровод, перестраиваемое сужающее устройство, датчик разности давлений, датчик абсолютного давления и датчик температуры газа, блок управления сужающим устройством, соединенный с шаговым двигателем, блок памяти, соединенный с блоком управления, и вычислительный блок. Перестраиваемое сужающее устройство имеет нестандартную форму отверстия сужения и значительное смещение оси отверстия от оси трубопровода, что приводит в увеличению погрешностей измерения расхода газа. Дрейф нуля и синфазные помехи в цепях датчика разности давлений с одним электрическим выходом приводят к существенным погрешностям измерения расхода. Шаговый двигатель расположен внутри трубопровода, что не позволяет применять такой расходомер в трубопроводах малого диаметра, например, диаметром менее 25 мм, которые характерны для квартирного газоснабжения. Расходомер не позволяет дозировать отпуск газа индивидуальному потребителю, например, по предварительной оплате. Известен способ (ЕР,0234325) изготовления волоконно-оптического разветвителя,заключающийся в применении лазерного источника нагрева оптических волокон. Для стабилизации теплового режима применяется керамическая подложка со щелевым надрезом, в котором непосредственно производится сплавление. Керамическая подложка поглощает излучение СO2-лазера. Так как температура плавления кварца составляет 2100C, то и температура керамической подложки должна быть не ниже. При нагреве керамической подложки происходит тепловая деформация ее поверхности и частичное испарение ее материала. Часть испаренных частиц оседает на волокна и вплавляется в поверхностный слой формируемой би 000366 2 конической перетяжки, создавая неоднородности, приводящие к увеличению оптических шумов, вносимого затухания и снижению надежности биконического разветвителя. Способ непригоден для изготовления датчиков разности давлений. Известен также способ изготовления волоконно-оптического датчика разности давлений для расходомеров (Gerdt D.W. "Applications offiber optic coupler sensors", SPIE, Vol. 990,Chemical, Biochemical and Environmental Applications of Fibers. 1988, 142-152). Способ изготовления состоит в том, что одномодовую перетяжку формируют из оптических волокон, которые нагревают с использованием электродугового источника нагрева и растягивают. После чего указанную перетяжку помещают в силиконовый компаунд и полимеризуют последний. Использование электродугового источника нагрева приводит к испарению материала нагревательного элемента и дальнейшему вплавлению его частиц в поверхностный слой биконической перетяжки (явление термофореза), что формирует дополнительные неоднородности,повышает уровень шумов и в силу абразивного действия частиц приводит к снижению надежности и точности датчика (диаметр перетяжки около 10 мкм). Большие градиенты температур на границах зоны нагрева в процессе сплавления оптических волокон таким методом приводит к превращению кварцевого стекла в "закаленное" кварцевое стекло, обладающее повышенной хрупкостью, что также снижает надежность датчика разности давлений. В основу настоящего изобретения положена задача создания надежного электронного расходомера, применение которого обеспечило бы возможность дозирования отпуска ресурса(газа, жидкости, пара) индивидуальному потребителю с повышенной точностью. Ставится также задача создания такого способа изготовления волоконно-оптического датчика разности давлений оптоэлектронного расходомера, согласно которому были бы исключены неоднородности в зоне формируемой перетяжки. Отсутствие указанных неоднородностей повышает прочность и надежность датчика, а также увеличивает соотношение сигнал/шум, что повышает точность его работы. Поставленная задача решается тем, что оптоэлектронный расходомер, включающий трубопровод со встроенным в него перестраиваемым сужающим устройством, шаговый двигатель, механически соединенный с перестраиваемым сужающим устройством, датчик разности давлений, входы которого соединены с трубопроводом по обе стороны перестраиваемого сужающего устройства, блок управления, соединенный с датчиком разности давлений и с шаговым двигателем и блок индикации, соединенный с блоком управления, дополнительно 3 содержит блок оптических излучателей, блок фотоприемников и усилительный блок, при этом оптические входы датчика разности давлений соединены с блоком оптических излучателей, а оптические входы подключены ко входам блока фотоприемников, входы которого соединены с усилительным блоком, выходы усилительного блока и вход блока оптических излучателей подключены к блоку управления, а датчик разности давлений выполнен из многомодовых или одномодовых оптических волокон с маломодовой перетяжкой. При этом перестраиваемое сужающее устройство выполняется в виде ирисовой диафрагмы, в качестве блока управления используется микропроцессор, а блока индикации - дисплей. Для считывания данных с микросхемной кредитной карточки к микропроцессору подключается блок считывания данных. Способ изготовления датчика разности давлений заключается в том, что маломодовую перетяжку формируют из оптических волокон,которые нагревают и растягивают, после чего полученную перетяжку заливают силиконовым компаундом, и полимеризуют его. Новым в способе является то, что для формирования маломодовой перетяжки оптические волокна нагревают непрерывным одномодовым лазерным излучением, которое предварительно расширяют с помощью цилиндрического зеркала и фокусируют вдоль оптических волокон с помощью второго цилиндрического зеркала, а температуру нагрева оптических волокон в процессе растяжения поддерживают постоянной путем юстировки фокальной плоскости второго цилиндрического зеркала. Приведенная конструкция оптоэлектронного расходомера позволяет получить все необходимые данные для определения коммерческого объемного расхода ресурса. Исключается необходимость применения отдельных датчиков абсолютного давления и температуры ресурса(газа, жидкости или пара). Применение ирисовой диафрагмы в качестве перестраиваемого сужающего устройства позволяет уменьшить погрешность измерения расхода ресурса, т.к. форма отверстия сужения имеет симметричную форму относительно своей оси и ось отверстия совпадает с осью трубопровода. Повышается надежность и точность работы расходомера. При применении ирисовой диафрагмы появилась возможность расположить шаговый двигатель с внешней стороны трубопровода. Это дает возможность применять расходомер в трубопроводах малого диаметра,что значительно расширяет область применения оптоэлектронного расходомера. Использование датчика разности давлений,выполненного из многомодовых оптических волокон с маломодовой перетяжкой, позволяет повысить эффективность ввода оптического излучения, вследствие чего большая часть энер 000366 4 гии оптического излучения проходит через перетяжку в виде оболочечных мод, увеличивается зона перераспределения энергии между выходными каналами, уменьшаются относительные размеры неоднородностей и повышается отношение сигнал/шум и точность измерений. Кроме того, такое выполнение датчика разности давлений позволяет повысить его механическую прочность. Сплавление оптических волокон путем нагрева непрерывным одномодовым оптическим излучением от лазерного источника при постоянной температуре нагрева в процессе растяжения, обеспечивает такой режим сплавления, при котором кварцевая сердцевина оптического волокна не меняет своих механических и оптических свойств и позволяет получать механически прочную маломодовую перетяжку, что повышает надежность работы датчика. Расширение лазерного пучка позволяет выполнить перетяжку более длинной и, следовательно, получить более чувствительный датчик разности давлений, что повышает точность измерений. Изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема оптоэлектронного расходомера, согласно изобретению; на фиг. 2 - схема устройства, реализующего способ изготовления волоконно-оптического датчика разности давлений. Оптоэлектронный расходомер (фиг. 1), согласно изобретению, содержит трубопровод 1,сужающее устройство 2, выполненное в виде ирисовой диафрагмы с перестраиваемым отверстием 3, механически соединенное с шаговым двигателем 4, который расположен в герметичной полости 5 и соединен с блоком управления 6, блок считывания данных 7 с микросхемной кредитной карточки, соединенный с одним из входов блока управления 6, датчик разности давлений 8, выполненный из многомодовых оптических волокон с маломодовой перетяжкой,входы которого соединены с блоком оптических излучателей 9, а выходы - с блоком фотоприемников 10, выходы которых соединены со входами усилительного блока 11, выходы последнего подключены к блоку управления 6, соединенному с блоком индикации 12. Устройство, реализующее предлагаемый способ изготовления датчика разности давлений, содержит одномодовый лазер 13 (фиг. 2) с рабочей длиной волны, эффективно поглощаемой материалом оптических волокон 14, цилиндрическое заркало 15. Оптические волокна 14 располагают вдоль оси цилиндрического зеркала 16 в его фокальной плоскости. Цилиндрическое зеркало 16 соединено с блоком юстировки 17. С помощью такого устройства формируют маломодовую перетяжку 18. 5 Предлагаемый оптоэлектронный расходомер в лучшем варианте его исполнения работает следующим образом. В исходном состоянии сужающее устройство 2 полностью перекрывает трубопровод 1,при этом датчик разности давлений 8 измеряет избыточное (абсолютное) давление в трубопроводе 1, которое запоминается в блоке управления 6, в качестве которого использован микропроцессор. Потребитель с помощью кредитной микросхемной карточки посредством считывателя 7 оплачивает определенный объем ресурса(газа), после чего микропроцессор 6 выдает шаговому двигателю 4 сигнал открытия сужающего устройства 2 до номинальной величины отверстия 3. При расходовании ресурса возникает перепад давления на сужающем устройстве 2,который преобразуется датчиком разности давлений 8, блоком фотопроемников 10, усилительным блоком 11 в выходные электрические сигналы, которые поступают в микропроцессор 6, где преобразуются в величину, пропорциональную нормированной разности, согласно соотношению:W= (U1 - U2)/(U1 + U2),(1) где U1, U2 - сигналы на выходах усилительного блока 9. Нормированная разность W прямо пропорциональна разности давлений. Микропроцессор 6 на основе полученных данных вычисляет объемный расход ресурса (газа, жидкости или пара):Vi - значение объемного расхода на i-том такте измерения. Температурная компенсация измеренного объемного расхода ресурса (газа) производится путем косвенной оценки температуры газа, а именно последовательным во времени измерением нормированной разности на разных длинах волн W1 и W2 путем поочередного включения красного и инфракрасного оптических излучателей блока 9. Разность W = W1 - W2,вычисляемая в микропроцессоре 6, пропорциональна отклонению температуры газа от нормальной величины 20 С, что позволяет вычислить с помощью микропроцессора 6 температуру Т газа и соответственно рассчитать коммерческий объемный расход:V20 = 2,8924(р/Т)V,(3) где V - объем газа, м 3, измеренный при рабочих условиях; р - абсолютное давление газа в кПа, измеренное в период перекрытого сужающего устройства; Т - температура газа в градусах Кельвина; 6 Широкий диапазон измерения расхода обеспечивается изменением диаметра отверстия 3 с поддержанием разности давлений в определенном заданном диапазоне Р. Таким образом, с помощью перестраиваемой диафрагмы сужающего устройства и разноспектральных оптических измерений разности давлений, исключается потребность в отдельных датчиках абсолютного давления и температуры ресурса (газа, жидкости или пара). Реализация предлагаемого способа изготовления датчика разности давлений 8 поясняется на примере работы устройства, представленного на фиг. 2. Многомодовые или одномодовые волокна 14. предназначенные для формирования маломодовой перетяжки 18 в датчике разности давлений 8, размещают на оси цилиндрического зеркала 16. С помощью одномодового лазера 13, ортогонально расположенных цилиндрических зеркал 15 и 16 формируют протяженную зону нагрева оптических волокон 14 с плавным профилем температурного поля и,тем самым, обеспечивают условия равномерного нагрева сплавляемых оптических волокон 14. С помощью блока юстировки 17 цилиндрического зеркала 16 управляют размерами и температурой зоны нагрева в процессе сплавления волокон 14. На облучаемом участке оптические волокна 14 нагревают до температуры опалесценции и с помощью юстировки зеркала 16 поддерживают ее постоянной в процессе дальнейшего их растяжения и в результате формируют маломодовую перетяжку 18 (фиг. 2). В силу того, что пучок излучения одномодового лазера имеет гауссово распределение энергии, зоны нагрева имеют плавный спад температурного поля и тем самым исключают образование механических напряжений в оптических волокнах 14 датчика разности давлений. Отношение сигнал/шум датчика разности давлений, выполненного на многомодовых оптических волокнах, выше, чем у выполненного из одномодовых. Этот эффект обусловлен тем,что уровень мощности оптического излучения,введенного в датчик разности давлений 8 из многомодовых оптических волокон, существенно превышает уровень мощности оптических шумов, создаваемых неоднородностями и переотражениями в области маломодовой перетяжки 18. Другие основные параметры предлагаемого датчика разности давлений 8 из многомодовых оптических волокон, в частности чувствительность и точность, соответствуют параметрам датчика разности давлений, выполненного из одномодовых волокон, поскольку при изготовлении его с помощью лазерного нагрева формируется маломодовая перетяжка 18. Использование новых операций изготовления маломодовой перетяжки 18 путем всестороннего равномерного лазерного нагрева многомодовых оптических волокон и стабилизации температуры зоны сплавления позволяет, в от 7 личие от электродугового нагрева оптических волокон, повысить механическую прочность чувствительной зоны маломодовой перетяжки 18 и, тем самым, надежность датчика разности давлений 8. В известных способах изготовления биконических разветвителей не учитывалась область применения, особенности эксплуатации датчиков разности давления и расходомеров с существенными перепадами давления. Новизна предлагаемого способа датчика разности давлений на основе многомодовых или одномодовых оптических волокон состоит именно в том, что он учитывает область применения и оптимизирован для производства датчиков разности давлений и расходомеров с повышенной эксплуатационной надежностью. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления элемента, чувствительного к разности давлений и температуре,включающий формирование маломодовой перетяжки из оптических волокон, которые нагревают и растягивают, после чего заливают силиконовым компаундом и полимеризуют его, отличающийся тем, что для формирования маломодовой перетяжки нагрев производят непрерывным одномодовым лазерным излучением,которое предварительно расширяют с помощью цилиндрического зеркала и фокусируют вдоль оптических волокон с помощью второго цилиндрического зеркала, а растяжение производят при постоянной температуре нагрева оптических волокон, что достигается юстировкой фокальной плоскости второго цилиндрического зеркала. 2. Оптоэлектронный расходомер, включающий трубопровод со встроенным в него перестраиваемым сужающим устройством, шаговый двигатель, механически соединенный с перестраиваемым сужающим устройством, датчик разности давлений, соединенный с трубопрово 8 дом по обе стороны перестраиваемого сужающего устройства, блок управления, соединенный с датчиком разности давлений и с шаговым двигателем, и блок индикации, соединенный с блоком управления, отличающийся тем, что в качестве датчика разности давлений используется элемент, чувствительный к разности давлений и температуре, охарактеризованный в п.1,заключенный в оправу и помещенный в корпус с образованием двух не сообщающихся друг с другом камер, а расходомер дополнительно содержит блок оптических излучателей, блок фотоприемников и усилительный блок, при этом оптические входы чувствительного элемента соединены с блоком оптических излучателей, а оптические выходы подключены ко входам блока фотоприемников, входы которого соединены с усилительным блоком, выходы усилительного блока и входы блока оптических излучателей подключены к блоку управления. 3. Оптоэлектронный расходомер по п.2,отличающийся тем, что перестраиваемое сужающее устройство выполнено в виде ирисовой диафрагмы. 4. Оптоэлектронный расходомер по п.2,отличающийся тем, что шаговый двигатель установлен в герметичной полости, расположенной на внешней стороне трубопровода. 5. Оптоэлектронный расходомер по п.2,отличающийся тем, что в качестве блока управления использован микропроцессор. 6. Оптоэлектронный расходомер по п.2,отличающийся тем, что блок индикации выполнен в виде дисплея, подключенного к микропроцессору. 7. Оптоэлектронный расходомер по п.2,отличающийся тем, что oн дополнительно оснащен блоком считывания данных с микросхемной кредитной карточки.