Главная Преобразователи механических величин



нах волн, одна нз которых лежит на полосе поглощения контролируемым параметром, другая - вне полосы, принимают долю интенсивности излучения, прошедшего или отраженного от поверхности объекта, преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный значению контролируемого параметра. В табл. 3.2 приведены различные оптические схемы преобразователей и области их применения.

Таким образом, для построения устройств контроля и измерения на СИД прежде всего необходимы сведения об оптических свойствах контролируемого объекта. По спектральным характеристикам в зависимости от вида измерения выбирают соответствующий полосам поглощения СИД и необходимый режим его работы.

Для обеспечения максимальной избирательности полосы поглощения контролируемого параметра должны максимально перекрываться спектральными характеристиками СИД. Далее подбирают фотоприемпик и согласуют его с устройствами усиления и обработки сигнала.

3.2. ОДНОВОЛНОВЫЕ УСТРОЙСТВА

НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ (ФОТОМЕТРЫ)

Одноволновые устройства на СИД могут быть построены по одиоканальной и двухканальной схемам. Они применяются для определения качественных и количественных параметров твердых веществ и материалов (например, для определения плотности, массы и т. п.) или анализа оптических свойств жидкостей и газов.

В одноволновых устройствах непосредственной оценки процесс измерения сводится к следующему. Контролируемый объект облучают потоком Фо1. Тогда на основе закона Бугера - Бера

1 = 016-". (3.1)

где К\ - коэффициент; т\ - контролируемый параметр (масса, плотность и т. п.).

Разложив в степенной ряд это выражение, получим

Ф = Ф,{\-Кт, + К\т\...). (3.2)

Пренебрегая членами высшего порядка, получаем приближенную зависимость контролируемого параметра

Lf4-l-\. (3.3)

к \ Фон

Но аппроксимация выходной характеристики линейной функцией вносит погрешность в результаты измерения, которая не превышает модуля выражения

б = К>Г (3.4)

Эта погрешность имеет мультипликативный характер, так как зависит от измеряемого параметра. Для уменьшения этой погреш-



ности обычно сужают диапазон измерения, и для линеаризации применяют логарифмирующие устройства, что также приводит к уменьшению точности (появляются инструментальные погрешности) .

Помимо перечисленных факторов на результат измерения влияет также нелинейность световой характеристики фотоприемника, так как зависимость фототока от потока излучения имеет нелинейный характер [15]:

/ф = с(/«ФР, (3.5)

где и - напряжение питания фотоприемника; Ф - световой поток; а, 3 - показатели степени; с - постоянная величина.

Таким образом, в приборах непосредственной оценки возникают погрешности из-за нелинейности световых характеристик фото-приемника и нелинейной зависимости фотоэлектрического сигнала от контролируемого параметра. Действительно, если подставить (3.1) в (3.5), то с учетом нагрузочного резистора фотоприемника

и = 8Гф = cSR, и- (Фо1 е--. f, (3.6)

где S - чувствительность фотоприемника; Ra - сопротивление нагрузочного резистора.

Скомпенсировать этн погрешности можно с помощью функциональной развертки, которую осуществляют со стороны фотоприемника илн со стороны излучателя.

Примером одноволнового одноканального устройства с функциональной разверткой со стороны фотоприемника может служить концентратометр, структурная схема которого приведена на рнс. 3.1 [32]. В начальный момент ключ 2 находится в открытом состоянии и светоизлучающий диод СИД, питающийся от генератора тока 1, излучает световой ноток. Этот световой поток проходит через контролируемую среду 4 и преобразуется фотодиодом ФД в фототок, а операционный усилитель 3 преобразует фототок в напряжение.

Прн превышении выходного напряжения усилителя установленного порогового уровня ключ 2 закрывается и излучение диода прекращается. При этом напряжение на входе усилителя ие исчезает мгновенно, а спадает по экспоненциальному закону с постоянной времени, эквивалентной входной емкости и сопротивлению усилителя до определенного значения, прп котором сигнал на входе усилителя 3 уменьшается до

и=и ехр(- х).

(3.7)


где Ui - напряжение срабатывания ключа; t - время, в течение которого включен СИД; -с - постоянная времени.

Рис 31 Структурная схема конценгратомера.

/ - генератор тока; 2 - пороговый ключ; 3 - операционный усилитель; 4 - контролируемая среда; 5 - блок цифровой индикации; Rq с - резистор отрицательной обратной связи



в результате в системе возникают незатухающие колебания. Временной интервал на выходе усилителя равен логарифму отношения U1/U2:

t = T\n{UjU). (3.8)

Так обеспечивается линейная зависимость между периодом повторения импульсов и концентрацией.

Существенным недостатком этого устройства является отсутствие компенсации временной и температурной нестабильности СИД.

В одноволновых одноканальных устройствах с функциональной разверткой [31] со стороны излучателя также удается скомпенсировать погрешности, присущие приборам непосредственной оценки. Действительно, если контролируемый объект облучать потоком СИД Фо, то в общем случае прошедший поток

Ф = Фом- (3.9)

где Х{х) -некоторая функция контролируемого параметра. На практике часто функция Х{х) аппроксимируется показательной или степенной функцией.

Если поток излучения СИД сделать переменным во времени, то получим

Ф () = Ф; Ф (о X (х), (3.10)

где Ф* - некоторое постоянное значение потока; ф(/) -временная функция изменения потока.

Для указанного класса функций (х) и при выборе функции ф(), совпадающей с Х{х) или обратной ей, функция 0{t) может быть приведена к видам:

0(t) = 0lX{x-t]; (3.11)

фи) = ф;1(хп)

0{t)0ll{xt).

При измерении, например, диаметра отверстия прошедший через отверстие поток излучения

фк*ф,а\ (3.12)

где к" - коэффициент пропорциональности; d - измеряемый диаметр

Если изменять Фо по закону фо{() = фо*(, то предыдущее выражение примет вид

ф{t) = k*ф*{dtf. (3.13)

Если изменять Фо по закону Фо(0=о*- , то получим

ф{1) = к*Ф1{йп?- (3.14)



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [11] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25


0.0319