CC BY
55
Архипов А.В*, Назарова И.Т.**, Серебряков Д.И.***, Мурашкина Т.И.**
*ОАО Энгельсское ОКБ «Сигнал» им. А. И. Глухарева **ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
***ОАО «НИИ физических измерений» г. Пенза
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛИЗАТОРОВ УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД
Для проведения экспериментальных исследований с целью подтверждения теоретических положений по определению конструктивных параметров волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости (ВОСУЖ) [1], а также алгоритма обработки оптического сигнала [2] разработана измерительная установка, схема которой приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема экспериментальных исследований волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости
Лабораторный макет измерительной установки для снятия экспериментальной зависимости Ф/Ф0=Г(Ап) или после преобразования в блоке преобразования информации U = f(Ап) [2] состоит из ВОСУЖ 1, состоящий из волоконно-оптического кабеля (ВОК) 2, отражающего элемента (ОЭ) 3, оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) 4, согласующего устройства (СУ) 5, источника излучения (ИИ) 3Л107Б, приемника излучения (ПИ) ФД 256, универсального блока преобразования информации (БПИ) 6, переме-
щающего устройства 7, микровинта 8 для задания перемещения (имитации изменения уровня жидкости), стойки 9 для крепления сигнализатора, емкости с жидкостью 10, вольтметра 11, блока питания (БП) 12 и соединительного электрического кабеля К1.
В сигнализаторе использованы оптические волокна (ОВ) с кварцевой сердцевиной диаметром do = 200 мкм и внешним диаметром dg=500 мкм, ОЧЭ с конструктивными размерами L = 4,1 мм, R1= 0,75 мм.
Расстояние между ОЧЭ и общим торцом ОВ может принимать значения от 0,01 до 0,05 мм (см. рисунок 1) .
Торцы ОВ сигнализатора соединены конструктивным образом с ИИ 3Л107Б и ПИ ФД 256 таким образом, чтобы торцы подводящего оптического волокна (ПОВ) находились напротив ИИ, а отводящих оптических волокон (ООВ) - напротив ПИр, ПИк, соответственно рабочего и компенсационного канала.
На УБПИ с помощью кабеля К1 подается напряжение питания (15±0,05)В от БП, последний в свою очередь питается от сети переменного напряжения 220В, частотой 50 Гц (см. рисунок 1). УБПИ запитывает ИИ 3Л107Б. Часть оптического излучения с ИИ 3Л107Б по ПОВ попадает в ОЧЭ и путем переотра-жения проходит по нему. Возвращенный световой поток (в случае отсутствия контакта ОЧЭ с жидкостью) с выхода ОЧЭ попадает в ООВ, по которым оптическое излучение поступает на ПИр ФД 256. Другая часть светового потока с ИИ 3Л107Б по ПОВ попадает на ОЭ, отражается от последнего и поступает в ООВ, пройдя которые попадает на ПИк ФД 256. Электрические сигналы (амплитуда) с выводов ПИр, ПИк ФД 256 поступают в УБПИ и совместно обрабатываются [2] . Обработанный выходной сигнал с выхода УБПИ посредством кабеля К1 поступает на вход вольтметра, по значению которого судят о наличии или отсутствии уровня жидкости.
С помощью схемы, приведенной на рисунке 1, определялись экспериментальные зависимости U=f(Ап)напряжение на выходе УБПИ лабораторного образца сигнализатора.
Имитация изменения уровня жидкости проводилась путем перемещения ОЧЭ ВОСУЖ, жестко закрепленного на подвижной части стойки, относительно жидкости вдоль оси Х с шагом 1 мкм с помощью микровинта [3] . С индикатора вольтметра снимались значения выходного напряжения в моменты касания ОЧЭ жидкости и при отсутствии касания.
Результаты измерений занесены в таблицы 1 - 6.
Таблица 1
Экспериментальные зависимости U/U=f(An) ВОСУЖс компенсационным каналом при коэффициенте усиления ку=100
Тип жидкости Выходное напряжение, В
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Сред- нее
Ц1ж Ц2Ж Ц3ж Мж U^ Шо U2a U30 Шо U^
п =1,33 6,54 6,27 6,36 6,43 6,4 3,70 3,67 3,69 3,6 3,65
Таблица 2
Экспериментальные зависимости U=f(An) ВОСУЖ с компенсационным каналом в нормальных условиях
Тип жид-
Выходное напряжение, В
кости при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Сред- нее
U1* U2X ГОж U4X Цср.ж Шо U20 ГОо то Цср.о
n =1,33 8,89 9,16 9,57 8,95 9,14 0,6 0,43 0,67 0,52 0,55
Экспериментальные зависимости U=f(An) ВОСУЖ без компенсационного канала
при изменении температуры окружающей среды Таблица 3
Тип жидко -сти Выходное напряжение, В (при t= минус 60°С)
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Среднее
01ж U2X U3X U4x Цср.ж Шо то то Шо Цср.о
n =1,33 9,79 8,56 7,34 7,95 8,41 0,46 0,29 0,53 0,67 0,48
Выходное напряжение, В (при t= плюс 100°С)
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Среднее
01ж U2X U3x U4x Цср.ж Шо то то Шо Цср.о
6,59 7,36 7,8 7,05 7,2 0,73 0,61 0,67 0,78 0,69
Таблица 4 - Экспериментальные зависимости U=f(An) ВОСУЖ с компенсационным каналом при изменении температуры окружающей среды_______________________________________________________________
Тип жидко -сти Выходное напряжение, В (при t= минус 60°С)
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Среднее
U1x U2x U3x U4x UGp.X то то то Шо U^
n =1,33 8,79 9,36 9,43 8,95 9,1 0,53 0,44 0,67 0,49 0,53
Выходное напряжение, В (при t= плюс 100°С)
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Среднее
U1x U2x U3x U4x Uro.X Шо то то U4о Uсp.0
8,79 8,96 8,63 9,03 8,85 0,43 0,57 0,39 0,52 0,47
Таблица 5 - Экспериментальные зависимости U=f(An) ВОСУЖ с компенсационным каналом с радиусом изгиба волоконно-оптического кабеля R±= 50мм
Тип жидко -сти Выходное напряжение, В
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Сред- нее
U1x U2x U3x U4x Цср.ж Шо 02о то U4о Uсp.0
n =1,33 8,79 9,41 9,27 СО и 9,05 0,47 0,54 ГО со о о И 0,51
Таблица 6 - Результаты измерения разброса точки срабатывания, дифференциала хода в керосине и бензине
Выходное ние напряже-, В Точка срабатывания L, мм Разброс положения точки срабатывания AL, мм Диффе-ренциал хода D, мм
при отсутствии касания при наличии касания L 1р т об L1 L 2р т Об L 2 т пр L 3 т Об L 3 г пр L 4 т Об L 4 Расчетное значение
керосин
U об
пр 0,4 U1 9,3
1 об
U 0,5 U2 9,5
пр 0,5 0,6 об 9.5 9.6
2 U U 3 об СО ю~ Г"- CD СО Г"- сч ю" CD СО СО -'3- ю" со CD со со со со СО CD СО 0,16 0,71
пр U4
3
U
пр
4
бензин
U об
пр 0,3 U1 9,1
1 об
U 0,4 U2 9,2
пр 2 0,5 об U3 9,5 тН О со СО СП со oq о СП ГО о
V V V V 0,22 0,85
U 0,4 об 9,0 тН тН oq тН тН тН тН тН тН тН oq тН тН тН oq тН
пр U4
3
U
пр
4
Данные таблицы 1 позволили сделать следующие выводы:
- перепад сигнала при отсутствии жидкости и при ее наличии составил 1,75 раз, что подтверждает правильность определения конструктивных параметров ОЧЭ с помощью математической модели представленной в работе [1].
Примечание. Зависимость U/Uo = f (An) соответствует (^/(^o=f (An) . Допустим при отсутствии касания ОЧЭ жидкости Фо= 6 у.е.при касании Ф =3 у.еследовательно Ф/Фо=0,5, т.е сигнал при касании жидкости
упал с 6 у.е.до 3 у.е. Например, в рабочем канале УБПИ сигнал будет усилен в 2 раза, т.е. будем иметь при отсутствии касания Uo= 12 + Дцепи, В при касании U =6 + Дцепи, В, где Дцепи - погрешность преобразования электрической цепи. Т.к. используются прецизионные микросхемы и чувствительный фотодиод, то погрешностью Дцепи можно пренебречь, следовательно U/Uo~ 0,5.
Данные таблицы 2, 3, 4, 5, 6 позволили подтвердить следующие:
- наличие компенсационного канала в ВОСУЖ позволяет снизить погрешности от воздействия внешних факторов, таких как температурные воздействия и неинформативные изгибы ВОК, тем самым, подтверждая заключение сделанное [2] . И следовательно алгоритм обработки оптического сигнала с ВОСУЖ, реализованный в УБПИ [2] является верным, т.е снижены погрешности описанные выше. Данные таблицы 6 позволяют сравнить точностные характеристики лабораторного макета ВОСУЖ с аналогами того же класса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И., Кривулин Н. П. Расчет конструктивных параметров чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 7. - С. 20-22.
2. Серебряков Д. И. Снижение температурной погрешности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Датчики и системы. - 2006. - № 2 - С. 36-37.
3. Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И. Градуировочная установка для волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Автоматизация управления в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2005. - Вып. 24. - С. 197-202.
