Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из важных задач измерительной техники является измерение уровня различных жидкостей. Подобная проблема широко представлена в нефтяной промышленности (например, измерение уровня на всех стадиях крекинга нефти и отпуска нефтепродуктов), газовой промышленности (например, измерение уровня сжиженных газов и границы их раздела) и пищевой промышленности (например, измерение уровня молочных продуктов, пищевых растворов и консервантов). Аналогичного рода задачи есть в гидрологии (измерение уровня воды в задемпфированных колодцах) и химическом производстве (измерение уровня различных агрессивных жидкостей).
В этих случаях используются уровнемеры как контактного типа (электромеханические, емкостные, термические и т.д.), так и бесконтактные (ультразвуковые, акустические, радиоизотопные и т.д.). Оба вида уровнемеров обладают рядом недостатков, не позволяющих использовать один и тот же тип приборов при изменении рода жидкости и условий работы. В ряде случаев с их помощью не удается достичь необходимой точности или диапазона измерения.
С точки зрения устранения перечисленных недостатков более предпочтительными являются бесконтактные оптико-электронные измерители уровня, основанные на принципах геометрической и физической оптики. Следует отметить, что в технической литературе описано большое количество схем подобных устройств, однако информация о практически реализованных устройствах подобного типа весьма ограничена, что говорит о их недостаточном распространении для решения перечисленных задач. В связи с этим актуальным является вопрос исследования, разработки и практической реализации бесконтактной оптико-электронной системы для измерения уровня различных жидкостей, обладающей широким диапазоном измеряемых перепадов уровня жидкостей, высокой точностью измерений, стабильностью показаний, простотой конструкции, позволяющей автоматизировать процесс измерения и быстро адаптироваться к конкретной задаче измерения уровня жидкостей. Наиболее полно отвечает перечисленным требованиям оптико-электронная система с оптической равносигнальнои зоной, которая и явилась объектом исследования.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка бесконтактной оптико-электронной системы измерения уровня жидкости.
Задачи исследования.
Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие основные задачи:
разработка методики определения величины уровня заполнения неконтактным способом;
разработка математической и физической моделей, описывающих бесконтактный метод измерений, основанный на теории оптико-электронных приборов с оптической равносигнальной зоной;
разработка приёмной и передающей частей измерителя уровня жидкости;
анализ точности прибора, его погрешностей и методов их устранения;
оптимизация инструментальных и электронных средств реализации системы и изготовление опытного образца уровнемера на основе разработанного метода измерения уровня жидкости.
Методы исследования.
Теоретической основой работы являются исследования в области бесконтактных методов измерения уровня жидкости, теории оптико-электронных приборов, оптических систем и электроники.
В процессе выполнения работы применялись аналитические и экспериментальные методы исследований. Аналитические методы базировались на общей теории математического моделирования схемных решений и натурного эксперимента в лабораторных условиях.
Для компьютерного моделирования применялась интегрированная система автоматизации математических и инженерно-технических расчетов Math CAD, ориентированная на IBM - совместимые персональные компьютеры.
Научная новизна работы.
- предложен и теоретически обоснован бесконтактный метод измере
ния и слежения за уровнем жидкости, в основе которого лежит пространст
венный контроль за положением оптической равносигнальной зоны,
разработаны математическая и физическая модели, описывающие способ формирования над поверхностью жидкости отсчетной оптической базы. Рассмотрено влияние возмущений поверхности жидкости на распределение освещенности в плоскости фотоприёмной головки (ФГ),
сформулированы теоретические положения определения высоты уровня жидкости по величине смещения оптической базы, при которых достигнуто оптимальное соотношение между высотой измеряемого уровня и точностью его определения,
выведены соотношения и определены критерии выбора параметров, позволяющих оптимальным образом организовать построение оптического и электронного блока системы,
разработана методика исследования точных характеристик оптико-электронного уровнемера (ОЭУ) и оценено влияние реальных условий эксплуатации на погрешность измерения уровня.
Практическая ценность работы.
Практическая ценность диссертации заключается в разработке олти-ко-электронной системы, которая позволяет производить измерения положения уровня жидкости без воздействия на измеряемую среду. Система способна контролировать уровень заполнения ёмкости или сосуда при работе с агрессивными, горячими и взрывоопасными жидкостями.
Отличительной особенностью разработанной системы является обеспечение высокой точности контроля за высотой столба жидкости при большом перепаде измеряемых уровней. Для разработанной оптико-электронной системы не имеет решающего значения плотность жидкости, её проводимость, коэффициент преломления, диэлектрическая проницаемость, поверхностное натяжение, температура, давление. Для измерений имеет второстепенное значение форма резервуара, толщина его стенок по высоте, наличие злектроизоляции, прозрачность и проводимость.
Основные результаты, выносимые на защиту-
J. Использование в роли бесконтактного зонда уровнемера оптико-электронного базового датчика (БД) с энергетической равносигнальной зоной.
2. Найденная взаимосвязь между распределением энергии в оптическом зондирующем пучке, формой отражающей поверхности и распределением освещенности в плоскости приёмной части уровнемера.
3. Предложенный обобщенный метод измерения и слежения за уров
нем жидкости, в основе которого лежит пространственный контроль за по
ложением зондирующего оптического пучка.
-
Сформулированные критерии оптимального построения схемы ОЭУ, при которых достигается максимальная энергетическая чувствительность прибора.
-
Разработанная инженерная методика проектирования оптико-электронных систем измерения уровня, включающая расчеты метрологических и габаритных параметров, позволяющих осуществлять выбор схемы, её элементов и их конкретных характеристик в зависимости от поставленных требований к измерителю уровня.
-
Изготовленный автоматический оптико-электронный измеритель уровня жидкости, предназначенный для контроля уровня заполнения жидкими средами различных резервуаров.
-
Полученные результаты анализа работы оптико-электронного измерителя уровня при вариации свойств измеряемых жидкостей.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы внедрены в ИТМО (ТУ) в научно-производственной лаборатории «Оптико-электронные системы», а также в учебном процессе ИТМО (ТУ).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Оптико-электронные приборы и системы» ИТМО (ТУ), XXIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбИТМО (Санкт-Петербург, 1996), международной научно-практической конференции «Оптика-95, Стекло-95, Лазер-95»(Санкт-Петербург,1995), международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (Москва, 1997).
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 6 статей и научно-технических работ.
Структура и объем работы.
