CC BY
54
Граевский О.С. , Бадеев А.В., Панькин Е. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
Для реализации нового способа измерения уровня жидкости [1] изготовлен лабораторный макет амплитудно-фазового ОЭДУЖ. Для подтверждения
Постановка задачи: провести экспериментальные исследования по определению вида и параметров
функции преобразования ОЭДУЖ.
В состав измерительной установки входят: ОЭДУЖ, контрольно-измерительный пульт (КИП), устрой-
ство для воспроизведения уровня жидкости (УВУЖ) (рисунок 1).
§
Контрольноизмерительный пульт
\ Устройство для
----- воспроизведения
^ — уровня жидкости
Рисунок 1 - Схема и фото измерительной установки
ОЭДУЖ предназначен для бесконтактного преобразования изменения уровня жидкости с коэффициентом преломления, большим 1,25 в изменение выходного напряжения постоянного тока.
КИП предназначен для:
- амплитудно-фазового преобразования двух смещенных по фазе относительно друг друга гармонических сигналов с выхода ОЭДУЖ, предполагающих масштабирование и суммирование;
питания элементов ОЭДУЖ: излучателя синусоидальным напряжением (5±0,2) В частотой (1500±20) Гц и постоянным током смещения (0,0 6±0,02) А; приёмников излучения - напряжением постоянного тока: рабочего (+5±0,5) В, компенсационного (-3,3±0,3)В; усилителя - напряжением постоянного тока ±(15±1,5) В;
УВУЖ предназначено для задания уровня жидкости в диапазоне 0...100 мм.
Объект исследований
В состав ОЭДУЖ, представленного на рисунке 2, входят: корпус 1, держатель 2, четыре светодиода 3Л107Б 3, четыре компенсационных фотодиода 4 типа ФД-19КК, рабочий фотодиод ФД2 0-3 2К 5, четыре линзы 6 диаметром 4,5мм, линза 7 диаметром 14 мм, печатная плата 8, две внутренние гайки 9, две установочных гайки 10, уплотнительное кольцо 11, защитное стекло 12, гайка 13, втулка 14, вилка МР1-10-5-В 15, зеркальный отражатель 16.
В держатель 2 завальцовываются линзы 6. В фокусе этих линз устанавливаются светодиоды 3. В центр держателя устанавливается фотодиод 5, а на расстоянии меньше фокусного от него завальцовы-вается линза 6. В непосредственной близости от светодиодов 3 устанавливаются компенсационные фотодиоды 4. Оси светодиодов 3 и фотодиодов 4 взаимно перпендикулярны. Фотодиоды 4 предназначены для компенсации изменения мощности излучения светодиодов 3 при изменении температуры окружающей среды.
Держатель 2 устанавливается в корпус 1 и закрепляется первой гайкой 9. Внутри корпуса 1 второй гайкой 9 закрепляется плата 8. На плате расположены масштабирующий преобразователь, функцию которого выполняет микросхема 54 4УД1А и фазосдвигающая цепь. Вилкой 15 посредством кабеля датчик соединяется с КИП. Вилка 15 устанавливается во втулку 14, которая, в свою очередь, запаивается в корпус 1. Перед установкой втулки 14 с вилкой 15 во избежание образования конденсата, внутренняя полость датчика после предварительного ее ваккуумирования, заполняется аргоном высшего сорта ГОСТ 10157-7 9. С торца датчика в корпус 1 устанавливается стекло 12, которое для обеспечения герметичности конструкции прижимается уплотнительным кольцом 11. Для удержания в корпусе 1 кольцо 11 затягивается гайкой 13.
Для установки датчика в непосредственной близости от контролируемого объекта используются гайки 10.
Зеркальный отражатель 16 представляет собой отполированную по 11 квалитету металлическую пластину (например, из стали 12Х18Н10Т).
ОЭДУЖ работает следующим образом: световые потоки от светодиодов 1 проходят через линзы 2 и
под углом а к оптической оси датчика проходят часть пути Л^ в воздухе, а часть пути в жидкости х±, уровень х± измеряется. При попадании светового потока на границу раздела двух сред с различными коэффициентами преломления По и П1, они преломляются и далее распространяются под углом (3 в направлении зеркала 16. Отразившись от зеркала световые потоки проходят обратный путь и, пройдя через линзу 3, фокусируются на светочувствительные поверхности фотодиода 4.
Информацию об уровне х± несет изменение площади пересечения 5др отраженного светового пятна 5оТр с площадью светочувствительных поверхностей фотодиода 4 5пи •
Структурная схема и принцип действия измерительной установки
Структурная схема измерительной установки представлена на рисунке 3.
ОЭДУЖ содержит измерительный преобразователь (ИП), состоящий из источников излучения (ИИ), рабочего (РПИ) и компенсационных (КПИ) приёмников излучения, первый масштабирующий преобразователь (МП1), фазосдвигающую цепь (Фц), зеркальный отражатель (ЗО).
Рисунок 2 - Конструкция оптоэлектронного датчика уровня жидкости
ИП предназначен для преобразования изменения уровня жидкости в электрический сигнал и содержит: источники излучения - светодиоды 3Л107Б, рабочий приемник излучения - фотодиод ФД-20-32К,
компенсационные приемники излучения ФД-19КК.
Первый масштабирующий преобразователь МП1 представляет собой усилитель рабочего сигнала Ор (х)
Фазосдвигающая цепь Фц предназначена для сдвига фазы сигнала ик . За счет разнополярного питания рабочего и компенсационного приемников излучения сигнал ик сдвинут относительно сигнала
ир (х) на угол 180 градусов. Путем подбора элементов Фц создают сдвиг фаз 90 0 < щ^ < 180 °*
КИП содержит фильтры верхних частот (ФВЧ1 и ФВЧ2), второй масштабирующий преобразователь (МП2), сумматор (^ ) , блок питания (БП).
Фильтры верхних частот ФВЧ1 и ФВЧ2 предназначены для подавления низкочастотной составляющей сигналов, вызванной фоновой засветкой ИП, осуществляют развязку выхода рабочего и компенсационных фотоприемников и входов сумматора, исключают влияние параметров МП2 при настройке на значение нагрузки рабочего и компенсационных фотоприёмников.
Второй масштабирующий преобразователь МП2 выполняет функцию делителя напряжения компенсационного сигнала.
Сумматор ^ предназначен для геометрического сложения двух гармонических сигналов и и
Генератор ГЕН предназначен для модуляции питающего напряжения источников излучения (ИИ).
Блок питания БП предназначен для питания элементов КИП и ОЭДУЖ.
В основу разработанной измерительной установки положен амплитудно-фазовый способ преобразова-
ния сигналов (рисунок 3). Выражение для начальной фазы суммарного сигнала и
р=arctg
и БІП р +и2 БІП р2 , ихСО$,р+и2 СОБ р2
где амплитудные значения первого и второго суммируемых гармонических сигналов соответственно; - начальные фазы первого и второго суммируемых гармонических сигналов соответ-
ственно.
Так как фазочувствительные схемы, преобразующие сдвиг фаз в электрический сигнал, выполняются двухканальными: один канал измерительный, второй - опорный, то положение одного из суммируемых
сигналов (например, и 2 ) можно принять за начало отсчета, то есть Щ =0 и щ = • Тогда (рисунок
3)
р=аг^-
БІП р 2
(1)
СОБр2 +
Рисунок 3 - Векторная диаграмма выходных сигналов измерительной установки
Измерительная установка работает следующим образом (см. рисунок 2). Световые потоки с источников излучения ИИ1...ИИ4 модулируются синусоидальным напряжением низкой частоты генератора ГЕН~. Часть пути световые потоки проходят в воздухе, а часть х± - в жидкости, уровень которой измеряется. Световые потоки, отраженные от зеркала, поступают на рабочий приёмник излучения РПИ, где
преобразуются в электрический сигнал. С нагрузки РПИ снимается напряжение и (х) , соответствующее уровню сигнала, прошедшего через жидкость. Сигнал ир (х) с нагрузки РПИ поступает
на вход масштабирующего преобразователя МП1, с выхода которого снимается напряжение Цр (х) .
На нагрузке компенсационных приёмников излучения КПИ1...КПИ4 приемом светового потока тех же ИИ непосредственно формируется другой сигнал ик , постоянный по амплитуде. Сигнал ик поступает на
фазосдвигающую цепь Фц. С выхода Фц снимается сигнал с амплитудой ик' . Фазосдвигающая цепь Фц предназначена для сдвига фазы сигнала ик . За счет разнополярного питания рабочего и компенсационного приемников излучения сигнал ик сдвинут относительно сигнала и (х) на угол 18 0 градусов. Путем подбора элементов Фц создают сдвиг фаз 90 0 < ф < 180 0.
Сигналы ЦЦ (х) и и2 поступают на входы сумматора ^ , где происходит их геометрическое суммирование. С выхода сумматора суммарный сигнал (х) поступает на один из входов фазометра
(ф), который используется в качестве промежуточного преобразователя. На второй вход фазометра поступает сигнал , который является опорным. Выходным сигналом КИП является сдвиг фазы ф суммарного сигнала (х) относительно опорного Ц^, определяемый выражением (1).
На векторной диаграмме (см. рисунок 3) с индексом «н» даны сигналы, соответствующие началу диапазона измерения, с индексом «к» - концу диапазона измерения.
Конструкция и принцип действия УВУЖ
На рисунке 4 представлена конструкция УВУЖ.
1 - прозрачная емкость, 2 - шкала, 3 - зеркальный отражатель, 4 - приспособление для установки оптоэлектронного датчика уровня жидкости, 5 - ОЭДУЖ.
Рисунок 4 - Устройство для воспроизведения уровня жидкости
УВУЖ представляет собой стеклянную емкость 1, проградуированную шкалой 2. На дно емкости помещается зеркальный отражатель 3. Градуировка емкости начинается от уровня рабочей поверхности зеркального отражателя. Шаг между градуировочными штрихами постоянный и равен 1 мм. Согласно техническому заданию, градуировка осуществляется до уровня 10 0 мм. ОЭДУЖ устанавливается в приспособлении 4, которое представляет собой металлическую пластину (форма пластины и размеры подбираются в соответствии с размерами и формой емкости) с отверстием в центре (диаметр отверстия 42 мм, что немного больше наружного диаметра корпуса датчика, используется для простоты его установки).
Проведение эксперимента
1 Собирается схему, изображенная на рисунке 1.
2 Снимаются значения фазы выходного напряжения при нулевом уровне жидкости, результат заносятся в таблицу по форме таблицы 1.
Таблица 1 - Результаты измерений
Уровень жидкости, Хі, мм Значение фазы выходного напряжения, ф, град. Среднее значение фазы, ф, град.
Цикл 1 Цикл 2 Цикл 3 Цикл 4 Цикл 5 Цикл 6 Цикл 7 Цикл 8
0
10
100
3 Снимаются значения фазы выходного напряжения при изменении уровня жидкости (воды) в УВУЖ через каждые 10 мм, результаты заносятся в таблицу по форме таблицы 1.
Так как нет возможности проводить обратный ход измерения, то вместо четырех полных циклов необходимо провести восемь, включающих только прямой ход измерения. После завершения очередного цикла жидкость из УВУЖ необходимо слить.
7 Определяется среднее значение фазы в каждой контрольной точке.
8 По результатам измерений строятся графические зависимости ф=Г(х).
Предполагаемые метрологические характеристики датчика
1 Диапазон контролируемого изменения уровня жидкости, мм 0...100
2 Выходной сигнал, Аф, град 70
3 Основная приведенная погрешность, %
4 Нелинейность градуировочной характеристики, %
5 Температурная погрешность в диапазоне температур от -50 до +60, %
6 Сохраняет работоспособность при воздействии вибрации
с частотой, Гц с ускорением, м/с2 механического удара с ускорением
длительность импульса, мс
7 Вероятность безотказной работы
8 Срок службы, лет
не более 2 не более 5 не более 4
5-5000
10-200
1500
0,5-5
0,99
не менее 11
Литература
1 Мещеряков В.А., Бадеев А.В., Мурашкина Т.И., Новый способ измерения уровня жидкости/Датьчики и системы №7.-2003- с.50-52
