Датчики уровня жидкости

Известно много способов измерения уровня жидкости. Для этого подходят и ре-зистивный (рис.7.1 Б), и оптический (рис.7.28), и магнитный (рис. 7.24), и емкос­тной (рис.3.8 главы 3) датчики. Выбор датчика для каждого конкретного случая определяется многими факторами, но, пожалуй, основным из них является тип жидкости. Сложнее всего измерять уровень сжиженных газов, особенно жидкого гелия, обладающего низкой плотностью и низкой диэлектрической проницаемо­сти, не считая того, что он должен храниться в закрытых сосудах Дюара при кри­огенных температурах. Для таких сложных случаев наиболее подходят датчики, реализованные на основе линии передач. Принцип действия этих датчиков подо­бен принципу датчиков абляции (см. рис. 7.47). На рис. 7.49 показана конструк­ция датчика для измерения уровня жидкостей на основе линии передач.

Чувствительный элемент напо­минает емкостной датчик уровня, показанный на рис. 3.8 главы 3, од­нако, его принцип действия не зак­лючается в изменении диэлектри­ческой проницаемости жидкости. Сенсор представляет собой длин­ную трубку с внутренним электро­дом, окруженную внешним цилин­дрическим электродом. Вся эта кон­струкция погружается жидкость, за­полняющую пространство между электродами до уровня х. На элект­роды подается высокочастотный сигнал (порядка 10 МГц). Длина сенсора по отношению к длине вол­ны может быть любой, но для обес­печения линейности рекомендует­ся. Чтобы она была меньше (1/4)Л, [17]. Высокочастотный сигнал про­ходит вдоль линии передач, сфор­мированной двумя электродами. Поскольку диэлектрическая прони­цаемость жидкости отличается от проницаемости паров, свойства ли­нии передач будут определяться по­ложением границы между жидко­стью и паром (другими словами, уровнем жидкости). Высокочастот­ный сигнал будет частично отражен от поверхности раздела жидкость-пар и вер­нется назад в верхнюю часть сенсора. В некоторой степени эта система напоми­нает радар, посылающий сигнал к объекту и принимающий отраженный сигнал. Измеряя сдвиг фаз между переданным и отраженным сигналами, определяется положение границы раздела. Сдвиг фаз измеряется при помощи фазового компа­ратора, на выходе которого вырабатывается постоянное напряжение. Более вы­сокая диэлектрическая проницаемость обеспечивает более высокий коэффици­ент отражения и, соответственно, лучшую чувствительность датчика (рис. 7.49Б).

Литература

1. Kato, H., Kojima, M., Gattoh, M., Okumura, Y., and Morinaga, S. Photoelectric inclination
sensor and its application to the measurement of the shapes of 3-D objects. IEEE Trans, lustrum. Meas.
40(6), 1021-1026, 1991.

2. Barker, M. J. and Colclough, M. S. A two-dimensional capacitive position transducer with rotation
output. Rev. Sci. Instrum., 68(8), 3238-3240, 1997.

3. Peters, R.D. U.S. Patent 5, 461, 319, 1995.

4. De Silva, С W. Control Sensors and Actuators, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ,1989.

5 Linear Application Handbook, Linear Technology, 1990

6 Hall Effect 1С Applications, Sprague, 1986

7 В Halg, A silicon pressure sensor with a low-cost contactless mterferometric optical readout Sensors
Actuators A 30, 225-229, 1992

8 Dakin, J P, Wade, С A and Withers, P В An optical fiber pressure sensor, SPIE Fiber Optics '87 Fifth
International Conference on Fiber Optics and Optoelectronics, Bellingham, 1987, pp 194-201

9 Lee, С E and Taylor, H F Fiber-optic Fabry-Perot temperature sensor using a low-coherence light
source J Lightwave Techno! 129-134, 1991

10 Wolthuis, R A , Mitchell, G L , Saaski, E , Haiti, J С and Afromowitz, M A Development of
medical pressure and temperature sensors employing optical spectrum modulation IEEE Trans
Biomed Eng 38, 974-980, 1991

11 Spillman, WB , Jr Multimode fiber-optic hydrophone based on a Schheren technique А^л/ Opt 20,
465, 1981

12 van Drecht, J and Meijer, G С М Concepts for the design of smart sensors and smart signal processors
and their applications to PSD displacement transducers In Transducers'91 International Conference on
Sohd-State Sensors and Actuators Digest of Technical Papers IEEE, New York, 1991, pp 475-478

13 Noffz, G К and Bowman, M P Design and laboratory validation of a capacitive sensor for measuring
the recession of a thm-layered ablator NASA Technical Memorandum 4777, 1996

14 In-Depth Ablative Plug Transducers, Hycal Engineering, El Monte, CA, 1992

15 Brown, R С , Andreussi, P, and Zanelh, S The use of wire probes for the measurement of liquid film
thickness in annular gas-liquid flows Can J Chem Eng, 56, 754-757, 1978

16 Graham, J , Kryzemmski, M , and Popovic, Z Capacitance based scanner for thickness mapping of
thin dielectric films Rev Sa Intrum , 71(5), 2219-2223, 2000

17 Brusch, L , Delfitto, G, and Mistura, G Level meter for dielectric liquids Rev Sa lustrum 70(2), 1999

ГЛАВА 8

СКОРОСТЬ И УСКОРЕНИЕ

Ускорение — динамическая характеристика объекта. Согласно второму закону Нью­тона оно возникает только после приложения к объекту какой-либо силы. Переме­щение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными физически­ми величинами: скорость — это первая производная от перемещения, ускорение — его вторая производная. Однако взять производную сильно зашумленного сигнала практически невозможно, поскольку это приводит к возникновению очень боль­ших погрешностей даже при использовании очень сложных схем обработки. По­этому скорость и ускорение объектов нельзя определять по данным, полученным при помощи детекторов перемещений, и для этого необходимо применять специ­альные схемы. Как правило, в низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и пе­ремещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемеще­ния соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения.

Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Она показы­вает насколько быстро объект движется по прямой линии или насколько быстро он вращается. Измерение скорости зависит от размеров объекта и может выра­жаться, например, в мм/с или миль/час. В настоящее время разработана глобаль­ная система навигации (GPS), позволяющая определять скорость и положение крупных объектов, таких как наземные и морские транспортные средства, при помощи радиосигналов от большого количества спутников, вращающихся вок­руг Земли. Определение скорости и положения таких объектов вычисляется по временным задержкам между сигналами, полученными от разных спутников. Для меньших объектов и меньших расстояний спутниковые системы не подходят. Здесь как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав са­мого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемеще­ние объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и уско­рения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля (см. уравнение (3.39) главы 3). Линейные датчики скорости построены на этом принципе

магнитной индукции. В их состав входит постоянный магнит и катушка индук­тивности определенной формы. Выходное напряжение на катушке прямо про­порционально относительной скорости магнита в пределах рабочей зоны.

В датчиках скорости оба конца магнита находятся внутри катушки. При та­кой конструкции на выходе катушки будет всегда нулевое напряжение, посколь­ку напряжения, индуцируемые разными концами магнита будут взаимно уничто­жать друг друга. Чтобы этого не происходило, катушка делится на две части. Се­верный полюс магнита индуцирует ток в одной половине катушки, а южный - в другой (рис. 8.1). Обе катушки подключены последовательно друг с другом, но в противоположных направлениях. Выходной сигнал такого устройства пропорци­онален скорости движения магнита. Максимальное значение измеряемой скоро­сти определяется в основном входными цепями интерфейсной электронной схе­мы, а минимальное — уровнем шума, особенно от расположенных рядом мощных устройств переменного тока. В таблице 8.1 приведены типовые характеристики электромагнитного датчика скорости. Такие датчики очень похожи на детекторы положения на основе ЛРДТ, описанные в разделе 7.4 главы 7, за исключением того, что ЛРДТ с подвижным ферромагнитным сердечником относится к актив­ным устройствами, в то время как сенсоры скорости являются пассивными, и в них движущимся элементом является сам постоянный магнит. Это означает, что они сами по себе являются генераторами тока и им для их работы не требуется сигнал возбуждения. Очевидно, что линейные датчики скорости детектируют ско­рость в пределах расстояния, ограниченного их размерами, поэтому они в основ­ном используются для измерения скорости вибраций. Угловой датчик скорости, реализованный на этом же принципе, непрерывно меряет скорость вращения, и в них нет ограничений на количество оборотов.

Источник Trans-Tek, Inc, Ellington, CT

Поиск по сайту: