Устройство для измерения давления внутри емкости с эластичными стенками

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники, и может быть использовано, например, для измерения давления крови в кровеносных сосудах. Устройство содержит источник подсветки стенки емкости пучком электромагнитного излучения и канал приема отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения оптически сопряженный с блоком его обработки и устройство фокусировки пучка электромагнитного излучения подсветки на поверхность стенки емкости, при этом последний выполнен в виде когерентного источника, перед каналом приема отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения установлена дефокусирующая линза, а блок обработки отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения выполнен в виде последовательно установленных регистратора дефокусиронного изображения стенки емкости и устройства определения сдвига дефокусированного изображения стенки емкости. Технический результат заключается в обеспечении линейности измерений, расширении диапазона и повышении точности измерения давления, возможности бесконтактного способа измерения давления.

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, и может быть использовано, например, для измерения давления крови в кровеносных сосудах.

Известен датчик для измерения давления среды, содержащий корпус, на торце которого выполнена выемка и закреплена мембрана, имеющая зеркальную отражающую поверхность, обращенную к волоконно-оптическому преобразователю-зонду перемещений мембраны, имеющему излучающее и приемные световоды и закрепленному в канале корпуса с зазором относительно мембраны, см. патент США 3580082, МКП G01L, 1969 г.

В указанном датчике оптические волокна подают коллимированный свет на мембрану, которая его отражает. В непосредственной близости от светонаправляющих волокон размещены принимающие свет волокна, которые подключены к блоку измерения интенсивности света. При отклонении мембраны изменяется направление отраженного света, следовательно изменяется количество света, попадающего на принимающие свет волокна. Результирующее

изменение интенсивности света передается на измерительный блок и служит мерой отклонения мембраны, т.е. давления, оказываемого на мембрану.

Недостатком приведенной конструкции является: датчик не позволяет осуществлять измерение статического и динамического давления жидкости, газа, псевдосжиженных порошкообразных сред в эластичном канале, в трубопроводе, в сосудах с эластичными стенками без вскрытия стенки сосуда или емкости.

Наиболее близким решением (прототипом) к предлагаемому техническому решению по своей технической сущности является датчик давления среды с эластичными стенками содержащий содержащее источник подсветки стенки емкости пучком электромагнитного излучения и канал приема отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения оптически сопряженный с блоком его обработки, см. патент RU 2176387, МКП G01L 23/00, публ. 11.27.01 г.

Недостатками приведенной конструкции являются: нелинейность измерений, влияние значений атмосферного давления на показания измерений, а также невозможность бесконтактного способа измерений.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в обеспечении линейности измерений, расширении диапазона и повышении точности измерений давления, а также обеспечение бесконтактного способа измерения давления.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения давления внутри емкости с эластичными стенками, содержащее источник подсветки стенки емкости пучком электромагнитного излучения и канал приема отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения оптически сопряженный с блоком его обработки, дополнительно содержит устройство фокусировки пучка электромагнитного излучения подсветки на поверхность стенки емкости, при этом последний выполнен в виде когерентного источника, перед каналом приема отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения установлена дефокусирующая линза, а блок обработки отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения

выполнен в виде последовательно установленных регистратора дефокусированного изображения стенки емкости и устройства определения сдвига дефокусированного изображения стенки емкости.

На фиг.1 представлено предполагаемое устройство для измерения давления среды в емкости с эластичными стенками, на фиг.2 - дефокусированное изображение стенки сосуда; фиг.3 - схема формирования дефокусированного изображения; фиг.4. - давление в кровеносном русле.

Рассмотрим предлагаемое устройство.

Устройство содержит (см. Фиг.1) источник подсветки - 1, выполненный в виде последовательно установленных лазера - 3 и устройства - 4 фокусировки пучка на поверхность стенки емкости, канал приема - 5 отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения, перед которым установлена дефокусирующая линза - 6 и блок обработки - 7, выполненный в виде последовательно установленных регистратора - 8 дефокусиронного изображения стенки емкости и устройства определения сдвига - 9 дефокусированного изображения стенки емкости.

Функционирование устройства осуществляется следующим образом.

Когерентный пучок излучения источника подсветки - 1, от лазера - 3 и устройства - 4 фокусировки, подается на поверхность - А емкости - 2 с эластичными стенками, Диффузно отраженное поверхностью емкости с эластичными стенками сфокусированное когерентное излучение поступает в канал приема - 5 отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения, перед которым установлена дефокусирующая линза - 6, направляющая диффузно отраженное поверхностью емкости излучение на блок обработки - 7, на приемной площадке которого формируется дефокусированное изображение эластичной стенки сосуда в диффузно отраженном когерентном излучении с характерно выраженной пятенной структурой (см. Фиг.2). Регистратор - 8, выполненный, например, на основе быстродействующей матричной телевизионной камеры, преобразует поступающие на его вход световой поток в электрический сигнал в виде

последовательности кадров, которая поступает на вход устройства определения сдвига - 9, выполненного, например, на основе микропроцессора вычисления межкадровых сдвигов.

Когерентное излучение, диффузно отраженное от его поверхности, образует в плоскости регистрации расфокусированного изображения отчетливую неподвижную спекл-структуру (пятенную структуру см., например, Рябухо В.П. Спекл-интерферометрия. Соровский образовательный журнал, том 7, 5, 2001 г.). Изменение давления в сосуде с эластичными стенками вызывает деформацию поверхности сосуда, что проявляется в относительном общем смещении спеклов соседних кадров в расфокусированных изображениях освещаемой поверхности - А. При этом имеют место следующие связи между параметрами схемы прибора (см. Фиг.3). В плоскости Б на расстоянии Z' формируется резкое изображение поверхности сосуда, где 1/Z'-1/Z=1/f, где f - фокусное расстояние линзы, Z - расстояние от поверхности до дефокусируюжей линзы, Z' - расстояние до плоскости резкого изображения поверхности. В плоскости В, смещенной на величину от плоскости изображения Б, создается дефокусированное изображение поверхности сосуда, состоящее из спеклов (см. фиг.3). Пятнистая картина или спекл-структура является свойством изображений, формируемых в когерентном свете, и обусловлена применением когерентного источника излучения генератора - 3. В плоскости В установлена приемная площадка регистратора - 8 (телевизионной камеры). Угловое перемещение поверхности сосуда на величину а приводит к пропорциональному смещению пятнистой картины в дефокусированном изображении на величину 2/,

где - - дефокусировка изображения (величина большая 1), а - увеличение оптической системы (величина меньшая 1). Использование этого эффекта пятнистой картины позволяет регистрировать перемещения поверхности эластичной стенки сосуда на микронном уровне.

Таким образом по смещению спекл-структуры и ее динамике в дефокусированном изображении освещенного участка поверхности сосуда с

эластичными стенками судят об изменении давления в сосуде. Диффузно отраженное излучение матовой поверхностью сосуда имеет широкую диаграмму направленности, что обеспечивает большой диапазон измерений давления а точность измерений регулируется путем изменения расстояния дефокусировки.

Из вышеизложенного следует, что предложенное техническое решение при использовании дает технический результат, заключающийся в обеспечении линейности измерений, расширении диапазона и повышении точности измерения давления, возможности бесконтактного способа измерения давления.

По материалам заявки на предприятии в настоящее время изготовлен опытный образец изделия, испытания которого подтвердили достижение указанного результата.

Устройство для измерения давления внутри емкости с эластичными стенками, содержащее источник подсветки стенки емкости пучком электромагнитного излучения и канал приема отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения, оптически сопряженный с блоком его обработки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит устройство фокусировки пучка электромагнитного излучения подсветки на поверхность стенки емкости, при этом последний выполнен в виде когерентного источника, перед каналом приема отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения установлена дефокусирующая линза, а блок обработки отраженного от стенки емкости электромагнитного излучения выполнен в виде последовательно установленных регистратора дефокусированного изображения стенки емкости и устройства определения сдвига дефокусированного изображения стенки емкости.