Оптоэлектронное устройство для измерения плотности жидкости с оптоволоконными линиями связи

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения плотности жидкости, в том числе пожаровзрывоопасных жидкостей.
Известно устройство, для непрерывного измерения плотности жидкости, содержащее чувствительный элемент в виде поплавка, закрепленного на двух сильфонах между двумя кронштейнами, оптоэлектронный преобразователь в виде оптической решетки и оптопары из двух светодиодов и двух фотодиодов, логический фильтр, счетчики прямого и обратного счета, электронный нониус, блок обработки информации и блок индикации (патент на полезную модель РФ №55986. 2006).
Предлагаемое устройство является дополнительным к патенту на полезную модель РФ №55986.
Задачей полезной модели является создание надежного и простого в эксплуатации искровзрывобезопасного устройства для измерения плотности жидкости в реальном времени технологического процесса.
В соответствии с поставленной задачей предлагаемое устройство для измерения плотности жидкости содержит полностью погруженный в жидкости поплавок, содержащий сквозное отверстие и закрепленный с помощью верхнего и нижнего сильфонов между двумя кронштейнами, крепящимися к стенке емкости, шток-толкатель и оптическую решетку, логический фильтр, счетчики прямого и обратного счета, электронный нониус, шина данных, блок обработки информации и блок индикации, отличающееся тем, что дополнительно введены блок формирователь инфракрасного излучения, два подводящих оптических волокна (ПОВ), два входных оптических разъема, два выходных оптических разъема, два отводящих оптических волокна (ООВ), блок преобразования оптического излучения в электрический сигнал с оптическими разъемами на входе.
На фигуре представлена функциональная схема устройства.
Устройство для измерения плотности жидкости содержит кронштейны 1 и 2, крепящиеся к стенке емкости 3, плотность жидкости в которой измеряют, к кронштейнам одними концами закреплены сильфоны 4 и 5, другие концы которых герметично закреплены на поплавке 6, имеющим по центру сквозное отверстие, соединяющее полости сильфонов 4 и 5, шток-толкатель 7, оптическая решетка 8, жестко соединенная со штоком-толкателем 7, блок формирователь ИК-излучения 9, два подводящих оптических волокна 10, которые соединены с выходами блока 9, два входных оптических разъема 11, два выходных оптических разъемов 12, разъемы 11 и 12 расположены соосно по обе стороны оптической решетки 8, корпус оптоэлектронного преобразователя перемещения штока-толкателя в синусоидальный оптический сигнал 13, в котором закреплены неподвижно входные оптические разъемы 11 и выходные оптические разъемы 12, и свободно перемещается шток-толкатель 7 с оптической решеткой 8, два отводящих оптических волокна 14, оптические разъемы 15, входы отводящих оптических волокон 14 соединены с оптическими разъемами 12, а выходы с оптическими разъемами 15, блок преобразования оптического излучения в электрический сигнал 16, с закрепленными на входе оптическими разъемами 15, логический фильтр 17, счетчик прямого счета 18, счетчик обратного счета 19, электронный нониус 20, шина данных 21, блок обработки информации 22, блок индикации 23, выходы с блока преобразования оптического излучения в электрический сигнал 16 соединены соответственно с первым и вторым входом логического фильтра 17, первый выход которого соединен с входом счетчика прямого счета 18, второй выход с входом счетчика обратного счета 19, третий выход с входом электронного нониуса 20, выходы счетчиков 18, 19 и выходы электронного нониуса 20 соединены с шиной данных 21, которая соединена с блоком обработки информации 22, выход которого соединен с блоком индикации 23.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
При заполнении емкости 3 жидкостью, которая поступает через нижний входной патрубок и сливается через верхний выходной патрубок, под действием выталкивающей силы поплавок 6 перемещается и через шток-толкатель 7 перемещает оптическую решетку 8, поплавок 6 перемещается на сильфонах 4,5 пропорционально плотности жидкости,
Оптоэлектронный преобразователь малых перемещений работает следующим образом. При перемещении поплавка 6, одновременно с ним перемещается оптическая решетка 8, в результате чего она пересекает оптические излучения подводящих оптических волокон 10 и попеременно затемняются входы отводящих оптических волокон 14, которые вырабатывают импульсные синусоидальные оптические сигналы, принимающие нулевые значения при каждом смещении решетки 8 на один шаг. Сигналы на выходах отводящих оптических волокон между собой сдвинуты на 90°, поступают на блок преобразования оптического излучения в электрический сигнал 16. Сигналы с выходов блока 16 поступают на логический фильтр 17, на выходе которого создаются импульсы или прямого, или обратного счета, эти импульсы поступают на входы счетчиков 18,19 прямого и обратного счета, как вариант, в качестве счетчиков применены счетчики-таймеры К580ВИ53. При прямом перемещении оптической решетки 8 (вверх), плотность жидкости растет, фильтр 17 пропускает импульсы на вход счетчика 18 прямого счета, при обратном перемещении (плотность падает) пропускает импульсы на вход счетчика 19 обратного счета. Цена данных импульсов равна 16 мкм. Так как счетчики таймеров работают в обратном направлении, то для определения фактической величины импульсов, нужно произвести следующие вычисления
,
факт
где N - фактическое значение импульсов;
1
N - первоначальное значение счетчик;
2
N - текущее значение счетчика.
Для предотвращения так называемого дребезга оптоэлектронного преобразователя, который может возникнуть при каких либо ударах, толчках, колебаниях емкости или под действием завихрений проходящей жидкости возможны колебания поплавка 6, а соответственно и оптической решетки, то истинное значение перемещения оптической решетки 8 определяется следующим образом: из значения счетчика 13 прямого счета следует вычесть значение счетчика 14 обратного счета. Для преобразования показаний счетчиков в метрическую меру, нужно разность умножить на 16 согласно формуле (2)
где L - грубое значение перемещения оптической решетки, мкм.
Это будет результат по грубой шкале отсчета. Для улучшения разрешающей способности оптоэлектронного преобразователя перемещения, используется электронный нониус 20, который представляет собой схему преобразования аналогового сигнала, представляющего собой часть синусоиды, т.е. меньше полного периода развертки, в цифровой параметрический код, который через шину данных 21 считывается блоком обработки информации 22, в качестве блока обработки информации может быть использована любая однокристальная микроЭВМ, которая в таблице, хранящейся в памяти микроЭВМ, в соответствии с прочитанным кодом выбирает соответствующее коду значение точного перемещения оптической решетки в единицах мкм, т.е. это будет результат по нониусу точного отсчета. Общий результат перемещения оптической решетки будет равен согласно (3).
где  - показания нониуса в ед. измерения.
Так как перемещение оптической решетки пропорционально плотности жидкости, то для получения показателя плотности нужно метрическую величину перемещения оптической решетки умножить на коэффициент пропорциональности К
Электронный нониус работает следующим образом. Потенциометрические резисторы устанавливают пороговый уровень срабатывания компараторов таким образом, чтобы сигналы на их входах имели сдвиг на 1/16 шага оптической решетки. Уровни компараторов поступают на восьмиразрядный регистр электронного нониуса, код с которого и считывается блоком обработки информации. Результат вычисленной плотности выводится на блок индикации 23.
3
За первоначальную точку отсчета принимается плотность жидкости равная р=1 г/см.
Рассчитав объем и вес поплавка можно получить заданную точность измерения плотности жидкости.