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.
Рис. 7.49. Датчик на основе линии передач (А) и его передаточная функция (В) [17]
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 Ал/ 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.
Рис.8.1. Принцип действия электромагнитного датчика скорости (Напечатано с разрешения Trans-Тек, Inc, Ellington, CT)
Таблица 8.1. Характеристики электромагнитных датчиков скорости
Характеристика
Значение
Перемещение магнитного сердечника, дюйм
0 5 24
Чувствительность, мВ/дюйм/с
35 500
Сопротивление катушки, кОм
2 45
Индуктивность катушки, Гн
0 06 7 5
Частотная характеристика, Гц (при нагрузке,
в 100 раз превышающей сопротивление катушки)