Оптико-физические измерения
измерения угла преломления имеет следующие метроло-
гическими характеристиками:
диапазон измерения показателей
преломления п....................... 1,3—1,7
диапазон измерения разности показателей преломления(в зависимости от
модификации) Ап..................... 3 ■ 10-3 — 3 ■ 10-2
разрешающую способность измерения показателя преломления Ап....... 1 ■ 10-7
разрешающую способность измерения концентрации водных растворов . . . 0,001 г/ 100 мл предел абсолютной погрешности
измерения п.......................... (1—3) ■ 10-6
продолжительность одного цикла
измерения............................ 20 с
Режим работы в одном цикле измерения ............................... автоматический.
Следует отметить, что указанный диапазон измерения показателей преломления достигается, если использовать в качестве образцовых жидкости из набора государственных стандартных образцов [3].
Прибор можно применять для измерения разности показателей преломления жидкостей или показателей пре-
ломления относительно стандартных образцов, для определения концентрации растворов в аналитических лабораториях, в химическом производстве для определения наличия примесей, для научных исследований.
Существенным преимуществом автоколлимационного рефрактометра является простота измерения дисперсионных характеристик жидких сред путем установки светодиода соответствующей длины волны.
Л и т е р а т у р а
1. Иоффе Б. В. Рефрактометрические методы химии. — М.: Химия, 1971.
2. Лейбенгардт Г. И., Найденов А. С., Шур В. Л. // Измерительная техника. — 2004. — № 12. — С. 58.
3. Найденов А. С., Николаева О. Ю. // Изв. высш. учеб. заведений. Приборостроение. — 2002. — Т. 45. — № 6. — С. 49.
4. Шур В. Л. и др. // Измерительная техника. — 2005. — № 9. — С. 45.
5. Абрамова Л. Ю., Баратов В. М., Шур В. Л. // Измерительная техника. — 1992. — № 6. — С. 16.
Дата одобрения 22.02.2006 г.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
620.179.14
Повышение точности электронно-акустических устройств измерения уровня жидкости
С. А. БОРМИНСКИЙ, Б. В. СКВОРЦОВ
Самарский государственный aэрокосмический университет им. С. П. Королева,
e-mail: b80@mail.ru, proton@ssau.ru
Приведены способы повышения точности волноводно-акустических методов измерений, необходимые для реализации высокоточных уровнемеров. Рассмотрены система с дополнительными отражателями, позволяющая учитывать реальную скорость звука, а также методы борьбы с помехами. Описан способ уменьшения минимального измеряемого расстояния между прибором и границей сред.
Ключевые слова: высокоточный уровнемер, волноводно-акустический метод измерения.
The means improving of accuracy of waveguide-acoustic measurement methods to create high accuracy level gauges are described. The systems with additional reflectors, which allow to take into consideration the real sound speed, and the ways to avoid interferences are considered. The method of distance reduction between the device and the fluid is presented.
Key words: high accuracy level gauge, waveguide-acoustic measurement methods.
В настоящее время в условиях рынка и конкуренции любое современное производство фактически невозможно без автоматизированных систем управления (АСУ). Одной из
распространенных прикладных задач АСУ является измерение уровня жидкости. Существует большое количество измерителей уровня, использующих различные принципы действия.
Наиболее распространены механические измерители уровня. Несмотря на относительную простоту они имеют ряд недостатков: невысокую точность, низкую надежность, невозможность измерения вязких жидкостей и необходимость принятия специальных мер защиты при измерении уровня агрессивных жидкостей. Часто используется принцип, основанный на измерении разности давления столба жидкости и давления в пустой части бака, однако он имеет невысокую точность, особенно если давление в баке с жидкостью постоянно изменяется, и требует подбора пары датчиков с одинаковыми характеристиками преобразования. Нашли применение микроволновые измерители уровня, использующие отражение СВЧ-излучения от границы раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью. Они имеют высокие технические характеристики, но очень дороги. Это обусловлено СВЧ-диапазоном 6—10 ГГц и, как следствие, дорогой элементной базой и сложной конструкцией. Кроме того, для работы микроволнового уровнемера необходимо, чтобы диэлектрическая проницаемость жидкости была не менее 2.
Из недорогих и эффективных способов измерения уровня жидкости следует выделить акустический, преимущества которого заключаются в простоте обработки акустических сигналов и отсутствии прямого контакта прибора с жидкостью. Расстояние до жидкости определяется по формуле [1]:
Рис. 1. Волновод с дополнительными отражателями (а): 1 — излучатель; 2 — волновод; 3 — акустическая волна; 4 — граница сред; 5 — приемник; 6 — устройство обработки сигналов;
диаграмма принимаемых импульсов (б): иизл — излучаемый импульс, Ц, ..., ип — отражения от вспомогательных отражателей, ин — отражение от границы сред
L = сТ / 2,
где с — скорость звука; Т — время распространения акустической волны от измерителя уровня до поверхности жидкости и обратно.
Скорость звука в воздухе составляет около 300 м/с, поэтому измерение времени распространения Т не вызывает трудностей. Основная сложность возникает при измерении скорости звука с, поскольку она зависит от температуры, влажности, давления, плотности окружающей среды [2, 3]:
Один из способов обойти эту проблему — измерить реальную скорость распространения звука. Для этого в волновод можно установить дополнительные отражатели О1 - Оп (рис. 1).
Введение дополнительных отражателей, расположенных на известном расстоянии, позволяет вычислять скорость звука на любом участке волновода. Скорость звука на отрезке между Оп _ 1 и Оп незначительно отличается от скорости звука на отрезке между жидкостью и ближайшим незатоп-ленным отражателем Оп и вычисляется по формуле
с = 20,067л/ё; с = с0 (1 + 0,00022е); с = ^Ср р /
с = ■
2AL
(1)
где 0 — абсолютная температура воздуха, К; с0 — скорость звука в сухом воздухе при температуре 0; е — парциальное давление водяных паров; р, р — равновесные давление и плотность среды; Ср, Су — удельные теплоемкости среды в изобарном и изохорном процессах, соответственно.
Из приведенных формул следует, что максимальное влияние на скорость звука оказывает температура. При изменении температуры воздуха от -20 до +20 °С скорость звука изменится на 5,5 %. Чтобы получить достаточную точность (погрешность около 0,1 %) для коммерческой эксплуатации, необходимо измерять температуру с погрешностью ±0,5 °С. Однако температура воздуха у поверхности жидкости и вблизи измерительного прибора не одинакова, и пары жидкости могут иметь различный химический состав. Так как учесть их влияние никакими прямыми измерениями невозможно, скорость звука с требуемой точностью вычислить нельзя.
где AL — фиксированное расстояние между отражателями; Т^п), Т^п _ 1) — время прохождения звуковой волны от излучателя 1 до отражателей Оп, Оп _ 1 и обратно до приемника 5 (см. рис. 1).
Уровень жидкости Н определяется как
Н = Ln + с (Т (Н) - Т / 2,
(2)
где Т(Н) — время прохождения звуковой волны от излучателя 1 до границы сред 4 и обратно до приемника 5. Подставляя (1) в (2), получаем
Н =
AL(Т(Н) - Т(Ц))
(3)
а
в
Рис. 2. Управление чувствительностью микрофона (а): 1—6 — те же, что на рис. 1; 7 — препятствие; 8 — блок управления
чувствительностью; зависимость мощности принимаемого сигнала, отраженного от границы сред, от времени t (б), пунктиром показан уровень срабатывания компаратора, необходимый для регистрации отражения;
диаграмма принимаемых импульсов (в): иизл — излучаемый импульс; ип, иотр — сигналы, отраженные соответственно от препятствия и границы сред
пр,
\М/\л
АР
а
Рис.
3. Структурная схема уровнемера с фильтром и анализатором спектра (а):
1—7 — те же, что на рис. 2; 8 — устройство фильтрации; 9 — анализатор спектра;
спектр шума, измеренный в трубе диаметром 110 мм и длиной 3 м
при наличии сильных промышленных помех (б): АР — рабочая полоса частот прибора; Р0, Рпр — частота и полоса пропускания полосового фильтра
На рис. 1, б приведена диаграмма принимаемых импульсов. Излучатель 1 посылает акустический импульс в волновод 2. Устройство обработки 6 переходит в режим приема, запоминая время трех последних отражений Т^п - 1), Т^п), Т(Н) и номер отражателя п. Номер этого отражателя на единицу меньше общего числа принятых отражений, так как последнее отражение происходит от жидкости. Далее в устройстве обработки 6 вычисляется Н по (3). От импульсов Ц, ..., ип импульс ин отличается по амплитуде, что обусловлено большей отражающей площадью жидкости.
Заметим, что использование дополнительных отражателей неэффективно при измерении уровня вязких сред.
В случаях, когда уровень измеряемой среды вплотную приближается к измерителю, эффективным способом повышения точности является прием сигнала, многократно отразившегося от границы сред. Основная причина уменьшения точности и стабильности измерения малых расстояний Н заключается в сопоставимости длины волны излучаемого импульса и расстояния Н. Кроме того, излучатель создает помеху приемнику, поскольку даже после выключения питания мембрана излучателя продолжает колебаться, излучая помехи. Измерение малых расстояний Н с высокой точностью требует применения более сложных и дорогостоящих АЦП и процессоров. Сигнал, создаваемый излучателем, многократно отражается от границы сред и заглушки на конце трубы, где установлен прибор. Приняв ^е отражение, можно уменьшить влияние паразитных сигналов излучателя, создаваемых после выключения, и в N раз снизить требования к АЦП и процессору по частоте преобразования и обработке.
Увеличение точности измерений связано с улучшением помехоустойчивости прибора. При измерении Н (рис. 2) в большом диапазоне отражение от близкорасположенного препятствия, шероховатости, накипи и т. п. может иметь амплитуду выше, чем от границы сред 4. Поэтому для определения границы сред в большом
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.