Оптоэлектронные преобразователи рефлективного типа для автоматизации жидкостных и газовых поверочных расходомерных установок

Список литературы

1 Пригоровский Н. И. Методы и средства определения полей

деформаций и напряжений: справочник. М. : Машиностроение, 1983. 248 с.

2 Тютрин С. Г. Техническая диагностика металлическими покрытиями:

монография. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2007. 143 с.

3 Тютрин С. Г., Манило И. И., Городских А. А., Герасимов С. В.

Усталостный датчик из оловянной фольги // Тракторы и сельхозмашины. 2013. №9. С. 82-84.

4 Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ

им. Н.Э. Баумана, 2010. 590 с.

5 Чумаков В. Г., Копыленко Л. Ю. Способы борьбы с уплотнением почвы //

Вестник КГСХА. 2014. №2. С. 65-67.

УДК 621. 89

О.Т. Алматаев, Ю.Г. Шипулин Ташкентский государственный технический университет Республика Узбекистан

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ РЕФЛЕКТИВНОГО ТИПА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ЖИДКОСТНЫХ И ГАЗОВЫХ ПОВЕРОЧНЫХ РАСХОДОМЕРНЫХ УСТАНОВОК

Аннотация. В работе представлена функциональная схема экспериментальной автоматизированной программируемой поверочной испытательной установки расходомеров-счетчиков жидкостей, разработанная на основе оптоэлектронных преобразователей рефлективного типа.

Ключевые слова: функциональная схема, эксперимент, автоматизация, программа, испытательная установка, расходомер-счетчик, жидкость, разработка, оптоэлек-тронный преобразователь, рефлективный тип.

O.T. Almataev, Yu.G. Shipulin Tashkent State Technical University, The Republic of Uzbekistan

OPTOELECTRONIC TRANSDUCERS OF A REFLECTIVE TYPE FOR AUTOMATION OF HYDRONIC AND GAS-FIRED CHECK-OUT FLOW-MEASURING INSTALLATIONS

Abstract. The paper presents a functional chart of an experimental automated programmable checkout testing installation of the flowmeters of liquids. The installation has been developed from optoelectronic transducers of a reflective type.

Keywords: functional chart, experiment, automation, programme, test installation, flowmeter, liquid, development, optoelectronic transducer, reflective type.

В настоящее время жидкостные и газовые поверочные расходомерные устройства широко применяются для поверки и аттестации различных жидкостных и газовых расходомеров и счетчиков.

К поверочным расходомерным устройствам предъявляются высокие требования по точности, надежности, быстродействию, стоимости и технологичности изготовления. Кроме того, требуется, чтобы в поверочных

установках процессы поверки и обработки результатов измерения были автоматизированы на основе современных достижений микропроцессорной техники.

В жидкостных расходомерных установках этим требованиям наиболее полно удовлетворяют установки с мерными баками, в которых необходимо точно фиксировать объем и время заполнения жидкостью.

В газовых расходомерных установках этим требованиям наиболее полно удовлетворяют колокольные установки, в которых необходимо точно фиксировать положение и время перемещения колокола.

Анализ существующих датчиков положения показал, что для поверочных расходомерных установок наиболее пригодны оптоэлектронные преобразователи на основе отражения светового потока, которые имеют ряд достоинств: простоту и компактность конструкции; высокие чувствительность и точность, а также удобство монтажа и установки на элементах газомерного устройства. Исходя из этого, за основу разработки оптоэлектронного преобразователя взят принцип построения на основе отражения светового потока.

Проведенный анализ принципов построения оптоэлектронного преобразователя рефлективного типа для поверочных устройств позволил сделать следующие выводы:

1 Характерными конструктивными признаками ОПРТ для расходомерных устройств являются:

а) наличие следующих основных элементов: сосредоточенного источника излучения (СИИ); кольцевого приемника излучения (КПИ); цилиндрического рефлективного элемента (РЭ); измерительной схемы (ИС);

б) наличие цилиндрического рефлективного элемента, модулирующего световой поток, светоотражающая поверхность которого характеризуется геометрическими параметрами и отражательной способностью.

2 Роль цилиндрического рефлективного элемента заключается в эффективном модулировании светового потока от поверхности РЭ и создании на светочувствительной поверхности приемника излучения импульса светового потока при различных положениях и перемещениях подвижных элементов поверочных устройств.

3 Роль световодов заключается в создании эффективных путей прохождения светового потока от ИИ к РЭ, устранении влияния внешнего светового фона и отвода отраженного светового потока к приемнику излучения.

4 Роль измерительных схем заключается в создании на выходе ОПРТ необходимых выходных электрических аналоговых или цифровых сигналов для систем контроля и управления поверочным устройствами.

Зная роль тех или иных элементов в конкретной конструкции ОПРТ, можно определить назначение преобразователя, основные характеристики и преимущества при его применении в поверочных устройствах.

Для анализа принципа построения и разработки математических моделей ОПРТ разработана графовая модель, представленная на рисунке 1.

Согласно графовой модели ОПРТ цепь питания ИИ представлена подграфом иэ11э1 (электрическое напряжение и ток), для которого схемная функция ТЭ1 с параметром ПЭ1 отображает структуру цепи питания ИИ. В цепи 1Э1, Ф01(0) ток 1Э1 преобразуется в световой поток Ф01 (о) , что отображается коэффициентом межцепной связи К2[ 1Э1, Ф01(0) ]. Световой поток Ф01(х) от ИИ при х=0 распространяется до РЭ и определяется по формуле:

x) = I о

( хо + x)2

иэ1

Тэ1 Пэ1 -»—

1э1 К2[1э1,Ф01(0) ФМ(0) Т01 По

Фо1

1э2

Тэ2 Пэ2 Иэ2 К4[Фо2(х),иэ2] "' « • <-

Т0

Х

П02 Кз{УВхФо1(х),Фо2(х)}

Ф02

Рисунок 1 - Графовая модель ОПРТ

где 10 - сила света, Брэ - площадь РЭ, освещаемая от ИИ, х0 - расстояние от ПИ до РЭ; X - продольная координата.

Световой поток Ф02( х), отразившись от РЭ, освеща-

Выходной сигнал иэ2 определяется на основе коэффициента межцепной связи К4[Ф02(х), иэ2].

На рисунке 2 а представлена физическая модель ОПРТ

ет чувствительную поверхность £ приёмника излуче- при продольном перемещении РЭ, а на рисунке 2 б - при ния, что отображается цепью Ф01(х), Ф02( х). Световой поперечном перемещении РЭ. поток Ф02(х) определяется по формуле:

На основании физической модели на рисунке 2 а

Ф02( х) = 10

(х0 + 2х):

2 РРЭ ,

А

где рРЭ - коэффициент отражения поверхности РЭ. На основе графовой модели можно определить статические характеристики ОПРТ как по продольной координате X , так и по поперечной координате Y (по координате перемещения РЭ).

Статическая характеристика по координате X необходима для определения оптимального расстояния X „л между РЭ и ПИ исходя из требования обеспечения п максимальной чувствительности. Статическая характеристика ОПРТ по координате X на основе графовой модели имеет следующий вид:

иэ 2 х = иэТэ1 ПэЛТэ!, Ф01(0)]Т01П(ЛТ02П02К2 х

х

Статическая характеристика по координате Y позволяет получить оптимальный выходной сигнал ОПРТ для контроля положения и перемещения подвижного элемента и согласно графовой модели имеет вид:

иэ 2 7 = иэ1ТэДэ1К1[/э1,Ф01(0)]Т01Л01Т02 П02 К2

[ 7в* [Ф01 (х), Ф02 (х)]}К 4 [Ф02 (х), и э 2 ]

tgUl =

+71

х + Ярэ

1 - источник излучения; 2 - приемник излучения; 3 - рефлективный элемент; Х0 - растояние от ИИ до ПИ; Х1 - расстояние от ПИ до РЭ;

Для получения конкретных статических моделей D - диаметр ПИ; D0- диаметр диафрагмы ПИ; у1 ,у2- отрезки,

ОПРТ необходимо определить явные выражения для функций связи:

К2 {х^х [Ф01(х), Ф02 (х)]} ,

Кз{ 7вх [Ф01( х), Ф02 ( х)]} , К4[Фга( х),и э 2] и схемных функций с параметрами:

Т  П • Т  П • Т  П Т  П

1 э1 1 э2 I11э2-

определяющие зону освещения ПИ; RРЭ - радиус РЭ Рисунок 2 - Физические модели ОПРТ при продольном перемещении РЭ

а также схемная

Откуда

71 = (х + Ярэ ^и - А. После преобразований получено

71 =

А 2

7 х

— +1 V Яэ

V

х +1

V х0

Л

-1

У

Функция связи К1[Тэ1 Ф01(0)], функция Т э1 и параметр Т э1 определяются типом ИИ. Аналогично функция связи К4 [Ф02 (х), из2 ], схемная функция Т э2и параметр э2 определяются типом приемника излучения.

Важнейшими узлами ОПРТ являются цепи воздей- цилиндрического рефлективного элемента RpЭ — ю ствия входных величин XВХ и УВХ на процесс преобразования Ф01(х) — Ф02(х), которые отображаются функциями связи К 2 {х^х[Ф01 (х), Ф02 (х)]} и К з{ УАФт( х), Ф02 (х)]}.

Анализ (7) показывает, что при больших радиусах

РЭ -

71 =

А х

2х

В целом, в рабочем диапазоне изменения параметров D0 и X значения Y1 возрастают, а при превышении Х0 значения Y1 уменьшаются.

2

Зависимость площади освещения приемника излучения S от изменения X равна

^ = ло2 -

1+— V х0 У

кпр =П0 -

с

Л

, 2 х

1 + Х^

V Л0 у

верхности Sрэ(Y) приемника излучения по координате У При перемещении по координате У на РЭ падает световой поток, который начиная от начального значения Ун последовательно освещает сегменты поверхности РЭ согласно формуле

Чувствительность ПИ к продольным перемещениям РЭ равна

Ярз (У) = -VКв -(Кв - У )2 • У

В целом величина светового потока, падающего на приемник излучения, будет равна

ф

ф01

На рисунке 3 показано изменение относительного

ФМ

значения светового потока ф (0) в зависимости от продольного перемещения приемника РЭ.

и при полном освещении создает сплошной круг. Отраженный световой поток Ф02(Х) от РЭ на кольцевом приемнике излучения также последовательно освещает площадь в виде сегментов по координате У

Авторами разработана на основе ОПРТ автоматизированная колокольная газомерная установка (рисунок 4), в которой перемещение колокола 1 в резервуаре с водой 2 обеспечивается с помощью электродвигателя 3, редуктора 5 и винта 6. Вытесняемый из-под колокола 1 воздух по трубе 8 поступает через переключающиеся краны 9 к поверяемому расходомеру или счетчику 12. Переключатель скоростей 4 позволяет изменять скорость перемещения колокола 1 с помощью роликов 7 и тем самым обеспечивает изменение задаваемого расхода воздуха через расходомер или счетчик газа 12. Автоматическое измерение расхода и количества воздуха через расходомер или счетчик газа 12 обеспечивается с помощью четырех ОПРТ, состоящих из приемников излучения 17, 18, 19, 20, и источников излучения 13, 14, 15, 16, два из которых находятся в верхней части и два в нижней частях стенки корпуса 10.

ФМ

Рисунок 3 - Гоафик зависимости ф (0) от продольного перемещения х РЭ

Из зависимости Ф01 (х) /Ф01 (0) = /(х) видно:

на участке 1 ОПРТ имеет высокую чувствительность к продольным перемещениям, и поэтому на этом участке нецелесообразно устанавливать ПИ; а на участке 2 ОПРТ имеет весьма низкую чувствительность к продольным перемещениям, и этот участок рекомендуется для установки ПИ для ОПРТ. Таким образом, на основании графика 3 можно определить оптимальное расстояние X оп и установить РЭ от ПИ ОПРТ

Согласно физической модели на рисунке 2 б РЭ в процессе измерительного преобразования совершает поперечное перемещение по координате У, при этом изменяется площадь освещенных поверхностей как отражающей поверхности РЭ, так и площади освещенной по-

1 - колокол; 2 - резервуар; 3 - электродвигатель; 4 - переключатель скорости; 5 - редуктор; 6 - винт; 7 - ролики;

8 - трубы; 9 - краны; 10 - корпус; 11 - светоотражающий цилиндр; 12 - поверяемый расходомер; 13,14,15,16 - источники излучения; 17,18,19,20 - кольцевые приемники излучения; 21,22,23,24 - мостовые измерительные схемы; 25,26,27,28 - электронные усилители; 29 - генератор импульсов; 30 - электронный вентиль; 31 - счетчик импульсов; 32,33 - аналого-цифровые преобразователи; 34 - промежуточный преобразователь; 35 - микропроцессор;

36-37 - исполнительные устройства Рисунок 4 - Функциональная схема колокольного газомерного устройства с электрическим приводом

В разработанном газомерном устройстве колокол 1 погружается в резервуар с водой 2 не под действием собственного веса, а с помощью электрического привода. Скорость перемещения колокола 1 может быть задана с помощью микропроцессорной системы управления.

Расход газа, фиксируемый газомерной установкой, не зависит от давления под колоколом и определяется скоростью его перемещения и площадью внутреннего сечения колокола 1

G = F V ,

где G - объемный расход, м3 /час; F - площадь внутреннего сечения, м2; V — скорость перемещения колокола, м/с.

1 - измерительный бак; 2 - вертикальный цилиндрический сосуд; 3-4 - оптоэлектронные преобразователи верхнего и нижнего уровня жидкости; 5 - мостовая измерительная

схема; 6 - нормирующий блок с усилителями; 7 - 8-разрядный АЦП; 8 - управляемый электромагнитный клапан; 9 - испытуемый расходомер-счетчик жидкости; 10 - сливной бак; 11 - циркуляционный насос с электродвигателем; 12 - блок управления исполнительными механизмами; 13 - блок оперативной памяти МК; 14 - пульт-управления оператора; 15 - лицевая панель установки; 16 - сливной трубопровод при аварийных режимах; 17 - датчик давления; 18 - датчик температуры; 19 - переключатели; 20 - универсальный блок питания Рисунок 5 - Функциональная схема экспериментальной

микропроцессорной программируемой поверочной испытательной установки расходомеров-счетчиков жидкостей

Представленная функциональная схема экспериментальной автоматизированной программируемой поверочной испытательной установки расходомеров-счетчиков жидкостей разработана на основе оптоэлектрон-ных преобразователей рефлективного типа.

Список литературы

1 Шипулин Ю. Г., Азимов А. Р. Аналоговые оптоэлектронные

преобразователи на основе полых световодов для систем контроля уровня и расхода // Вестник ТашГТУ. 1999, №1. С.43-46.

2 Azimov R. K., Shipulin YU. G., Maksudov S. A., Mahmudov M. I.,

Zhumaev O. A. Intellectual microprocessor testing gas measusuring instrument stallations.// Siхtn World Conference Intelligent Systems for Industrial Automation. «WCIS-2010»-Tashkent, Uzbekistan, November 25-27, 2010.-PP. 266-269.

3 Алматаев О. Т., Шипулин Ю. Г., Жумаев О. А. Автоматизированная

программируемая поверочно-испытательная установка расходомеров счетчиков жидкостей // Международный научно-технический журнал «Химическая технология контроль и управление». 2010. №3. С.46-49.

УДК 621.89

О.А. Жумаев, У.С. Холматов, О.Т. Алматаев, А.О. Абдужалилов

Ташкентский государственный технический

университет

Республика Узбекистан

ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ И

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ

ПРЕОБРАЗО ВАТЕЛ ЕЙ

ДЛЯ ГАЗОМЕРНЫХ УСТАНОВОК

Аннотация. В работе приведены и проанализированы основные задачи разработки и проектирования оптоэ-лектронных преобразователей для газомерных установок.

Ключевые слова: газомерный, установка, преобразователи, оптоэлектронный, автоматизация, элементы, информация, сигнал, система, фотоприемник.

O.A. Zhumaev, U.S. Holmatov, O.T. Almataev, A.O. Abduzhalilov

Tashkent State Technical University

PROBLEMS OF OPTOELECTRONIC TRANSDUCERS FOR GAS-MEASURING INSTALLATIONS DESIGN AND DEVELOPMENT

Abstract. The study presents and analyzes the principal tasks in optoelectronic transducers for gas-measuring installations design and development.

Keywords: gas-measuring, installation, transducers, optoelectronic, automation, elements, information, signal, system, photodetector.

ВВЕДЕНИЕ

В процессе создания поверочных установок решающую роль играют первичные преобразователи для контроля переменных элементов установки.

В газомерных установках могут быть использованы различные типы первичных преобразователей: электроконтактные, индуктивные, емкостные, акустические, оптоэлектронные, пневматические и другие. Однако многие преобразователи параметров движения механических элементов имеют ряд недостатков, затрудняющих их применение, а именно: обратное воздействие на контролируемый объект, электрический и механический износ, ограниченный срок службы, дребезг контактов и другие. Поэтому в настоящее время наиболее перспективным и актуальным являются бесконтактные методы и преобразователи, среди них наиболее широкое применение получают оптоэлектронные преобразователи.

Оптоэлектронные преобразователи отличаются более высокой точностью, высокой разрежающей способностью, высокой надежностью. Все типы оптоэлектрон-ных преобразователей для контроля перемещения подвижных элементов газомерных установок можно свести к двум основным типам

Передача информации между различными частями системы управление является одним из неотъемлемых и критически важных элементов. Сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень,