Оптико - Электронный маятниковый датчик уровня Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 629.4.015

Р.В. Алалуев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-19-59, tgupu(a),yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Ю.В. Иванов, д-р техн. наук, доц., (4872) 35-19-59, tgupu(a),yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

В.Я. Распопов, д-р техн. наук, проф., зав. каф., (4872) 35-19-59, tgupu(ipyandex. ги (Россия, Тула, ТулГУ)

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ МАЯТНИКОВЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ

Предлагаемый оптико-электронный маятниковый датчик уровня позволяет повысить точность и разрешающую способность при измерении угла отклонения маятника путем сужения пучка излучения с помощью щелевой диафрагмы и применения устройства обработки сигнала фотоприемников.

Ключевые слова: маятник, фотоприемники, проектирование.

Выправка железнодорожного пути с одновременным уплотнением балласта осуществляется с помощью целого комплекса специальных путевых машин в трех плоскостях: в плане (рихтовка), в продольном профиле (нивелировка) и в поперечном профиле (выправка по уровню). Измерение взаимного положения рельсовых нитей, то есть превышение одного рельса над другим необходимо производить при всех видах выправки. В качестве чувствительного элемента автоматической системы выправки по уровню используется маятниковый датчик вертикали.

Известные конструкций таких датчиков построены по следующей схеме [1, 2]. В корпусе размещен массивный маятник, демпфирование колебаний которого осуществляется вязкой жидкостью. Угол отклонения основания от направления местной вертикали измеряется различными способами. В маятниковом датчике уровня ELT-133.00 австрийской фирмы «Plasser and Theurer» преобразование «угол - напряжение» осуществляется с помощью кругового высокоточного потенциометра с напылённым ре-зистивным слоем. Передача колебаний маятника на ось вращения потенциометра происходит с помощью шкивов и гибкой передачи (стальной тросик, кордовая нить, зубчатый ремень).

Основным недостатком такого способа съема сигнала является наличие статической погрешности датчика, обусловленной моментом трения в механической передаче. Кроме того, имеет место износ потенциометра как при работе, так и при транспортировке датчика. К недостаткам можно отнести аналоговую форму выходного сигнала. В других конструкциях маятниковых датчиков уровня съем сигнала выполняется с помощью индуктивных датчиков угла (измеритель наклонов ИН-2 разработанный в Тульском государственном университете, датчик уровня - в ВНИИЖТ) [1]. Индуктивные датчики угла не имеют трения, но по сравнению с преци-

зионными потенциометрами обладают более высокой нелинейностью характеристики и достаточно большой величиной нулевого сигнала.

Указанных выше недостатков лишены оптико-электронные преобразователи «угол- цифровой код».

Конструктивная схема оптико-электронного датчика уровня приведена на рис. 1.

Рис. 1. Конструктивная схема оптико-электронного датчика уровня: 1 - маятник; 2 - излучатель света; 3 - щелевая диафрагма;

4 - линейка фотоприемников; 5 - корпус; 6 - коммутатор; 7 - устройство сравнения; 8 - источник опорного напряжения; 9 - блок вычисления номера среднего из засвеченных фотоприемников; 10 - блок вычисления линейного и углового смещений маятника

Работа устройства происходит следующим образом. При отклонении маятника 1 от первоначального положения относительно корпуса 5 световой пучок от излучателя света 2, сформированный щелевой диафрагмой 3, смещается относительно линейки фотоприемников 4, засвечивая несколько из них. В результате на выходах фотоприемников формируются сигналы, показанные на рис. 2, которые поступают на входы коммутатора 6. В устройстве сравнения 7 сигналы с выхода каждого фотоприемника сравниваются с опорным напряжением, формируемым источником опорного напряжения 8.

Рис. 2. Форма сигнала на выходе фотоприемника

В результате определяются номера фотоприемников г и i+m, сигнал на выходе которых равен опорному напряжению. Причем, число засвеченных фотоприемников т является постоянной величиной для данной конструкции и в основном определяется шириной щели диафрагмы. Далее в блоке 9 определяется номер среднего из засвеченных фотоприемников:

(г + т)-г т / = г + ---— = г + —.

2 2

Линейное смещение маятника определяется в блоке 10 по формуле

А/ = А/ (d + с),

где А/ - значение приращения номера засвеченного фотоприемника; d - ширина фотоприемника; с - расстояние между соседними фотоприемниками.

Угловое смещение маятника определяется по формуле

А/ А/ Аф = — « —, К R

где К - расстояние от оси подвеса маятника до фотоприемника.

Применение такого алгоритма обработки сигналов позволяет повысить разрешающую способность определения смещения маятника до значения d+c несмотря на то, что одновременно засвечивается несколько фотоприемников. Блоки вычисления номера среднего из засвеченных фотоприемников 9 и вычисления линейного и углового смещений маятника 10 реализованы в виде программируемого микропроцессорного устройства, в результате чего выходной сигнал датчика уровня формируется в виде цифрового кода.

В качестве фотоприемника может быть использована ПЗС-линейка с шириной одного чувствительного элемента d = 14 мкм и расстоянием между чувствительными элементами с =14 мкм. Тогда при расстоянии от

оси подвеса до фотоприемника R =0,12 м разрешающая способность оптико-электронного маятникового датчика уровня составит 2,3 10-4 рад., что соответствует 0,35 мм превышения одного рельса над другим в поперечной плоскости пути.

Выводы

1. Применение бесконтактного оптико-электронного датчика угла в конструкции маятникового датчика уровня позволяет значительно уменьшить статическую погрешность прибора из-за трения.

2. Предложенный алгоритм обработки сигналов позволяет повысить разрешающую способность определения смещения маятника до значения d+c несмотря на то, что одновременно засвечивается несколько фотоприемников.

Список литературы

1. Распопов В.Я., Иванов Ю.В. Датчики уровня систем управления железнодорожных машин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2000. 176 с.

2. Датчик уровня для путевых железнодорожных машин на базе физического маятника / В.А. Дмитриев [и др.] // Датчики и системы. 2006. № 7. С. 56 - 58.

R. V. Alaluev, Yu. V. Ivanov, V. Ya. Raspopov

OPTOELECTRONIC PENDULUM LEVEL SENSOR

The proposed optoelectronic pendulum level sensor to improve the accuracy and resolution of the measurement of the angle of deviation of the pendulum by narrowing of the radiation beam with a slit aperture and the use of signal processing devices photodetectors.

The key words: pendulum, photodetectors, design.

Получено 3.12.12