CC BY
54
Серебряков Д.И. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ
Проведен анализ экспериментальных исследований волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости (ВОСУЖ), подтвердивший правильность определения конструктивных параметров сигнализатора, а также способ снижения температурной погрешности.
На стадиях экспериментальных исследований или экспериментальной отработки конструкции важно определить оптимальные конструктивные параметры волоконно-оптического преобразователя, обеспечивающие высокую чувствительность преобразования и глубину модуляции оптического сигнала [1].
Для подтверждения ранее разработанных теоретических положений по определению конструктивных параметров [1] , а также алгоритма обработки оптического сигнала [2] разработана измерительная установка, схема которой приведена на рисунке 1.
Лабораторный макет измерительной установки для снятия экспериментальной зависимости Ф/Фо=^(Ал) или после преобразования в блоке преобразования информации и=1(Ал) состоит из ВОСУЖ 1, согласующего устройство (СУ) 2, источника излучения (ИИ) 3Л107Б, приемника излучения (ПИ) ФД 256, универсального блока преобразования информации (УБПИ) 3, перемещающего устройства 4, микровинта 5 для задания перемещения (имитации изменения уровня жидкости), стойки 6 для крепления сигнализатора, емкости с жидкостью 7, вольтметра 8, блока питания (БП) 9 и соединительного электрического кабеля К1 [2].
ВОСУЖ 1 состоит из волоконно-оптического кабеля (ВОК) 10, отражающего элемента (ОЭ) 11, оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) 12.
В сигнализаторе использованы оптические волокна (ОВ) с кварцевой сердцевиной диаметром 3= = 200 мкм и внешним диаметром ^=500 мкм, ОЧЭ с конструктивными размерами Ь = 4,1 мм, Е.1= 0,75 мм [1]. 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 подводящих оптических волокон (ПОВ) находились напротив ИИ, а отводящих оптических волокон (ООВ) - напротив ПИр, ПИк рабочего и компенсационного приемников излучения соответственно.
На УБПИ с помощью кабеля К1 подается напряжение питания (12±0,05) В от БП, последний в свою очередь питается от сети переменного напряжения 220 В, частотой 50 Гц (см. рисунок 1). УБПИ запитывает ИИ 3Л107Б. Часть оптического излучения с ИИ по ПОВ попадает в ОЧЭ и проходит по нему путем отражения от поверхности ОЧЭ. 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 по ПОВ попадает на ОЭ, отражается от последнего и поступает в ООВ, пройдя по которым попадает на ПИк ФД 256. Электрические сигналы (амплитуда) с выводов ПИр, ПИк 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 контролируемой жидкости в зоне измерения.
Имитация изменения уровня жидкости проводилась путем перемещения ОЧЭ, 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 - 5.
ФД 256 ~
Рисунок 1 - Схема экспериментальных исследований волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости
Таблица 1 - Экспериментальные зависимости и=1(Ал) ВОСУЖ с компенсационным каналом в нормальных условиях
Тип жидко- Выходное напряжение, В
сти при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Сред- нее
и1ж 02ж изх 04 ж Цср.ж 01 о 02 о из 0 04 о Оср.о
л =1,33 8,89 9,16 9,57 8,95 9,14 0,6 0,43 0,67 0,52 0,55
Таблица 2 - Экспериментальные зависимости и=1(Ал) ВОСУЖ без компенсационного канала при изменении температуры окружающей среды_______________________________________________________________________
Тип жидкости Выходное напряжение, В (при t= минус 60°С)
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Среднее
01ж 02 ж 03ж 04 ж 0Ср.ж 01 о 02 о 03 о 04 о 0ср.о
л =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 02 ж 03ж 04 ж 0Ср.ж 01 о 02 о 03 о 04 о 0ср.о
6,59 7,36 7,8 7,05 7,2 0,73 0,61 0,67 0,78 0,69
Таблица 3 - Экспериментальные зависимости U=f(Ап) ВОСУЖ с компенсационным каналом при изменении температуры окружающей среды__________________________________________________________________________
Тип жидкости Выходное напряжение, В (при t= минус 60°С)
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Среднее
иіж 02ж и3ж 04 ж Оср.ж 01 о 02 о 03 о 04 о 0ср.о
п =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
иіж и2ж и3ж 04 ж Оср.ж 01 о 02 о 03 о 04 о 0ср.о
8,79 8,96 8,63 9,03 8,85 0,43 0,57 0,39 0,52 0,47
Таблица 4 - Экспериментальные зависимости U=f(Ап) ВОСУЖ с компенсационным каналом с радиусом изгиба волоконно-оптического кабеля R1= 50мм
Тип жидкости Выходное напряжение, В
при наличии жидкости в зоне измерения Среднее при отсутствии жидкости в зоне контроля Сред- нее
01ж 02 ж 03ж 04 ж 0ср.ж 01 о 02 о 03 о 04 о иср.о
п =1,33 8,79 9,41 9,27 8,71 9,05 0,47 0,54 0,63 0,41 0,51
Данные таблиц 1 - 5 позволили подтвердить следующее:
- перепад сигнала при отсутствии жидкости и при ее наличии, после обработки в УБПИ, составил 16,6 раза (таблица 1) , что подтверждает правильность определения конструктивных параметров ОЧЭ с помощью математической модели, представленной в работе [1];
- наличие компенсационного канала в ВОСУЖ позволяет снизить погрешности от воздействия внешних факторов, например, температурную погрешность, погрешность, обусловленную К и др., тем самым,
подтверждая выводы, сделанные в работе [2].
Данные таблицы 5 дают возможность сравнить метрологические характер _ торного макета ВОСУЖ
с аналогами того же класса.
Вывод. Алгоритм обработки оптического сигнала с выходаВОСУЖ, реализованный в УБПИ, рассмотренный в работе [2] является верным.
Таблица 5 - Результаты измерения разброса точки срабатывания, дифференциала хода в керосине и бензине
Выходное напряжение, В Точка срабатывания Ь, мм Разброс положения точки срабатывания ЛЬ, мм Дифференциал хода Б, мм
при ствии ния отсут- каса- при чии ния нали- каса- пр 1 б 1 пр 2 б 2 пр 3 б 3 пр 4 б 4 Расчетное значение Расчетное значение
керосин
0 пп 0 4 0 °б 9 3
0 пп 0 5 0 °б 9 5 і—1 3 г- 9 г- 2 9 ГО 4 со 9 со 3 СТЇ 0,16 0,71
0 пп 0 5 0°б 9 5 ю 1—1 ю 1—1 ю 1—1 Ю <—1 ю 1—1 ю 1—1 ю 1—1 ю 1—1
0 пР 0 4 0 6 0 0 б 0 4 9 6
бензин
0 пр 0 35 0°б 9 1
0 пр 0 4 0 об 9 2 1—1 4 0 3 СО 9 со 3 од 0 СТЇ 1 СО 0 0,22 0,85
0 пр 0 5 0°б 9 5 1 1—1 2 1—1 1 1—1 1 1—1 1 1—1 2 1—1 1 1—1 2 1—1
п пр 0 4 0 4 и0 б 0 4 9 0
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.
