Метрологическое обеспечение изготовления волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Серебряков Д.И. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

При контроле работоспособности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости (ВОСУЖ) [1] одними из проверяемых параметров являются разброс положения точки срабатывания и дифференциал хода. Для этого необходима градуировочная установка, позволяющая с минимальной погрешностью воспроизводить (имитировать) изменение уровня жидкости.

На рисунке 1 предоставлен общий вид одного из вариантов установки для определения вышеописанных параметров.

Рисунок 1 - Градуировочная установка для определения разброса положения точки срабатывания и дифференциала хода

Установка состоит из устройства для воспроизведения перемещений 1, установочной рамки, состоящей из штока 3, верхней планки 4, трех стоек 5 и нижней планки 6, чашки 7. В качестве измерительного прибора перемещений используется индикатор ИЧ 25, цена деления его шкалы 0,01 мм.

Принцип работы установки основан на перемещении установочной рамки с сигнализатором относительно поверхности жидкости, налитой в чашку 7. Чувствительный элемент (ЧЭ) сигнализатора крепится по резьбе на нижней планке 6. Перемещение осуществляется за счет резьбовой передачи между гайкой 8 и штоком 9 (см. рисунок 1). При вращении гайки 8 происходит опускание и поднимание штока 3. Точность воспроизведения перемещений в установке обеспечивается конструкцией устройства 1.

Последовательность определения разброса точки срабатывания и дифференциала хода:

1 собрать схему согласно рисунку 2;

2 установить индикатор ИЧ 25 в отверстие хомута 10 и закрепить винтом 11;

3 закрепить ЧЭ сигнализатора на градуировочной установке;

4 залить в чашку 7 жидкость;

5 включить измерительные приборы;

6 подать на сигнализатор напряжение питания;

7 медленно перемещать ЧЭ сигнализатора вниз до момента касания сферической поверхности ЧЭ [2] с поверхностью жидкости (момент касания определяем с помощью вольтметра РУ). Переместить хомут 10 вдоль стойки 12, создать первоначальный натяг. Установить шкалу индикатора ИЧ 25 в нулевое положение и закрепить хомут.10 на стойке 12 винтом 13;

8 снять выходное напряжение вольтметром РУ. На выходе сигнализатора должен быть высокий уровень напряжения [1];

9 переместить ЧЭ сигнализатора вверх до момента переключения выходного напряжения с высокого уровня на низкий [1] ;

10 снять показания индикатора (Ьо0 ) и вольтметра РУ. Занести показания в таблицу по форме таблицы 1;

11 переместить ЧЭ сигнализатора вниз до момента переключения выходного напряжения с низкого уровня на высокий;

12 Снять показания индикатора (Ь П ) и вольтметра РУ. Занести показания в таблицу по форме таблицы 1;

13 Повторить операции по пп. 8, 9 еще 3 раза.

G - источник напряжения постоянного тока; I - кабель; PV - вольтметр; P - осциллограф; PA - амперметр; R - резистор С2-36 - 1МОм+0,5% ОЖО.467.089 ТУ; С - конденсатор К10-17а-М4 7-510пФ+10%

ОЖО.4 60.107 ТУ; БПИ -блок преобразования; ЧЭ - чувствительный элемент сигнализатора.

Рисунок 2 - Схема контроля выходного напряжения, разброса положения точки срабатывания, дифференциала хода.

Таблица 1 - Результаты измерения разброса точки срабатывания, дифференциала хода

Вых. напряжение, В Точка срабатывания L, мм Разброс положения точки срабатывания AL, мм Дифференциал хода D, мм

Тре- бо- ва- ние Измеренное значение

при отсутствии касания при наличии касания при отсутствии касания при наличии касания np L ip об L і np L / об L 2 np L n об L 3 np L n об L 4 Требо- вание Рас- чет- ное зна- чение Требо вание Рас- четное значе- ние

np U і np U і u п u і об U і об U 2 об U 3 об U 4 Не более

Разброс положения точки срабатывания при прямом ходе определяем по формуле: пр пр

flL = L max - L in , пр пр

где L max и L - максимальное и минимальное показания индикатора при переключении выходного

напряжения с низкого уровня на высокий, мм.

Дифференциал хода сигнализатора определяем по формуле:

об пр

D = L - L ,

max min '

об

где L тах - максимальное показание индикатора в момент переключения выходного напряжения с высокого уровня на низкий при обратном ходе, мм.

С помощью вышеописанной градуировочной установки можно имитировать изменение уровня жидкости с точностью 0,01 мм.

Недостатками данной установки является существенная погрешность градуирования, обусловленная: 1) имитацией перемещения уровня жидкости путем перемещения рамки (инструментальная и методическая погрешность); 2) присутствием эффекта "смачиваемости", который тем больше, чем больше диаметр ЧЭ.

Поэтому предлагается градуировочная установка, лишенная вышеуказанных недостатков. На рисунке 3 предоставлен общий вид установки.

П

С - сосуд; МТ - стеклянная мерительная трубка; П - поршень; ГШ - гибкий шланг; СК - стеклянный капилляр; ВОК - волоконно-оптический кабель; ЧЭ - чувствительный элемент сигнализатора.

Рисунок 3 - Градуировочная установка для определения разброса положения точки срабатывания и дифференциала хода.

Установка содержит стеклянную мерную трубку (МТ), имеющую оцифрованную шкалу в диапазоне 0...500 мм с шагом 1 мм и поршень (П). Нижний конец МТ посредством гибкого шланга (ГШ) соединяется с концом горизонтально расположенного стеклянного капилляра (СК), причем продольная ось последнего совмещена с нулевым делением МТ. На правом конце СК установлен ГШ, отводящий протекающую в сосуд (С) по СК жидкость. СК позволяет контролировать наличие воздуха в жидкости, так как внутренний диаметр его

сравним с размерами пузырьков воздуха. В крышке сосуда закрепляется ЧЭ сигнализатора.

Данная установка позволяет буквально по капле добавлять в С жидкость. Контроль уровня жидкости осуществляется с помощью МТ. Момент касания сферической поверхности ЧЭ осуществляется с помощью вольтметра PV (см. рисунок 2).

Уровень жидкости h в С определяется следующим образом. При перемещении П вниз часть жидкости выходит из МТ, объем выдавленной жидкости равен

жа2

V» = — \Н - И1), (1)

где Н, Н1 - уровень жидкости в МТ соответственно до перемещения П и после перемещения П, мм; й

- диаметр МТ, мм (см. рисунок 3).

Объем жидкости VмT поступает в С и равномерно растекается по площади С, которая равна

Sс

4

(2)

где D - диаметр С, мм.

При этом происходит повышение уровня жидкости h на величину равную h = V** / Sc. (3)

Подставляя формулы (1) и (2) в (3), окончательно получим:

h

а2 ( и - Н1)

в2

(4)

Допустим, а =10 мм; В =2 0 0 мм; перемещение П, т.е. ^^=1 мм, тогда с учетом формулы 4 уровень в С увеличится на 0,0 025 мм, т.е. точность задания уровня жидкости составила 0,0025 мм. Следовательно, предложенная конструкция позволяет не только более точно задавать уровень жидкости, но и с помощью подбора оптимальных конструктивных параметров мерительной трубки и сосуда, а именно й и В добиться нужной точности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мурашкина Т.И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Радиотехника. - 1995. - №

10.

2. Серебряков Д.И., Карасев. Н.Я. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Датчики и Системы - 2 0 05. - №10