Использование цветодатчиков в измерительной технике

В работе приведены структурные схемы устройств, осуществляющих контроль за качеством масла вертолетных двигателей, измерений уровня в топливомерах, тяги авиационных двигателей, температуры нагреваемых тел, уровня раздела двух сред.

Ключевые слова: воздушное судно, цветодатчик, вертолет, оптическое волокно, светодиод, температура, тяга авиационных двигателей, изделий из железа, оптический пирометр, топливомер, уровнемер, качество масла, подшипник

В последние 20–30 лет все чаще появляются научные работы и изобретения по способам изготовления полупроводниковых приборов, максимальная чувствительность которых находится в видимой человеческому глазу области — цветодатчиков. Когда оператору необходимо по изменению цвета визуально определять те или иные параметры можно использовать эти цветодатчики. В качестве примера можем привести случай, когда качество масла в баке, где находятся подшипники главного винта, определяются через каждые 50 или 90 часов налета. В данном случае оператор набирает масло в пробирку из бака, в котором находятся подшипники, с помощью которых вращается вертолетный винт. И сравнивает масло по цвету с эталонным маслом, которое хранится в кабине вертолета. Когда нарушается соостности винта вертолета с валом двигателя происходит помутнение масла, это является сигналом того, чтобы поставить вертолет на капитальный ремонт. Это является очень важным параметром. Для того чтобы определить качества масла в двигателях вертолета, предложен «Способ контроля за качеством масла вертолетных двигателей и устройство для его осуществления» [1], в котором определение прозрачности масла производится с помощью цветодатчика, распологаемого вне двигателя, но получающего информацию о цвете масла через оптоволокна, установленные внутри бака двигателя. Одно оптоволокно соединено с цветодатчиком, а второе — со светодиодом. Примерная конструкция устройства, предназначенного для контроля за качеством масла двигателей вертолетов приведена на рисунке 1. Оптоволокна можно приклеить к стенкам маслобака: — это практически не будет занимать его объема.

Рис. 1. Примерная конструкция устройства для контроля за качеством масла вертолетных двигателей: — 1 — оптоволокна; 2 — оптоволокно, идущее от светодиода; 3 — оптоволокно, подключенное к цветодатчику; 4 — плоский щуп с укрепленными оптоволокнами; 5 — маслобак с маслом 6

Чувствительность цветодатчиков в видимой части спектра выше, чем человеческий глаз [2]. Применение оптических волокон позволяет снизить пожароопасность на борту вертолета. Точно такие устройства можно использовать для непрерывного контроля прозрачностью масла в авиационных двигателях воздушных судов, где является важным наблюдение за износом подшипников [3]. На воздушных судах контроль прозрачности масла осуществляет техник, как на вертолетах, визуально через определенно количество часов налета. На самолетах устанавливается электрический датчик, он срабатывает, когда в небольшое пространство между его контактами попадает стружка от износившихся подшипников. Это сигнал того чтобы, поставить воздушное судно на капитальный ремонт. Наблюдение за качеством масла в вертолетных двигателях важно, потому что помутнение масла связано с изменением соосности главного винта, от его правильной работы зависит безопасность полетов.

Схема установки волокон в устройстве предназначенного для измерения уровня топлива на воздушных судах приведена на рисунке 2. Цветодатчики подключаются к разностным усилителям (рисунок 3), их вторые входы подключаются к выходу эталонного цветодатчика, оптическое волокно которого находится на самом дне топливного бака, а выходы разностных усилителей через компараторы или триггеры Шмитта подключены к индикаторному прибору или к компьютеры. Использование цветодатчиков в авиационных топливомерах позволяет повысить точность результатов, занимает абсолютно мало объема в топливных баках, чем в емкостными топливомерами, в сравнении с радиоизотопными уровнемерами — вред для здоровья обслуживающего персонала меньше, а также отличается высокой надежностью. Некоторые исследователи говорят, что система оптическая и поэтому она загрязняется. Такая система вполне будет работоспособна в авиационном тепломере, в котором среда является авиационный керосин.

Рис. 2. Примерная схема установки оптоволокон в устройстве для измерения уровня топлива на воздушных судах: — 1 — оптоволокна; 2 — оптоволокно, идущее от светодиода; 3 — оптоволокно, подключенное к цветодатчику

На воздушных судах есть еще одна проблема, связанная с измерением тяги авиационных двигателей, значения которых обычно определяют путем измерения температуры выходящих газов с помощью термопар [5]. Недостаток данного способа состоит в сравнительной низкой точности, обуславливаемой инструментальной погрешностью термопар. Еще один недостаток этого способа является, что термопары должны быть в контакте со средой, которой измеряется температура. При высоких температурах используются оптические пирометры [6]. Но у них есть некоторые недостатки, в частности показания оптического пирометра с исчезающей нитью накала зависят от качества зрения того или иного оператора. По этой причине высокая чувствительность цветодатчиков используется для измерения тяги авиационных двигателей и температуры любого нагреваемого тела бесконтактным, нужно чтобы у этого тела менялся цвет [7]. Также цветодатчики используются в установках, предназначенных для закаливания железных изделий.

Определение уровня фосфора под слоем воды является важным параметром в производстве желтого фосфора. Желтый и белый фосфор должен находиться под слоем воды, потому что он самовозгорается, когда соприкоснется с воздухом. По уровню фосфора в емкости определяют количество фосфора. Предприятие должно знать сколько фосфора он продает, поэтому это очень важно. На реальном производстве этот параметр обычно определяют с помощью линейки на кончике которой прикреплен небольшой ковшик, с помощью которого захватывается небольшое количество фосфора, которое на воздухе загорается. По этому признаку техник приходит к выводу о том, что он линейкой достиг уровня фосфора. Когда возгорается фосфор выделяются вредные газы, среди них особенно вредным является фосфин. Это все обуславливает некоторые неудобства. Для данного случая предложено «Устройство для измерения уровня раздела двух сред», в котором два цветодатчика располагаемые на небольшом расстоянии друг от друга в трубочке из прозрачного материала и разделенные двумя светонепроницаемыми перегородками, между которыми находится источник света. Сигналы от этих цветодатчиков подаются на входы разностного усилителя, который выдает на своем выходе сигнал равный нулю, если цветодатчики в одной среде и более мощный сигнал, если нижний цветодатчик попадает в среду с другим цветом и сигнал этого датчика будет отличаться от сигнала верхнего цветодатчика. Таким образом, современные цветодатчики, обладающие высоко спектральной чувствительностью человеческого глаза, используются при создании новых измерительных приборов.

Выводы

1. Цветодатчики можно использовать для непрерывного контроля за качеством масла в вертолетных двигателях, что позволяет определять момент резкого изменения соосности вертолетного винта с валом двигателя.
2. Использование цветодатчиков в авиационных топливомерах позволяет повысить точность показаний, занимает меньше объема в топливных баках, чем в других топливомерах, отличается более высокой надежностью, а в сравнении с радиоизотопными уровнемерами, отличается меньшей вредностью для здоровья обслуживающего персонала.
3. Чувствительность цветодатчиков, соответствующая человеческому глазу, позволяет использовать их в установках для закаливания железных изделий, для измерения температуры нагреваемых тел, тяги авиационных двигателей, а также уровня раздела двух сред.

Литература:

1. Бекк В. Г. и др. Новый тип полупроводникового цветодатчика. Вестник КазГУ. Физика, 1994 г.
2. Туякбаев А. А., Алдамжаров К. Б., Туякбаев Д. А. Способ контроля за износом подшипников в авиационных двигателях и устройство для его осуществления. Предпатент РК № 17279, опубл. 14.04.2006, бюл. № 4.
3. Туякбаев А. А., Алдамжаров К. Б., Туякбаев Д. А. Устройство контроля за уровнем и количеством топлива на воздушных судах. Предпатент РК № 18292, опубл. 15.02.2007, бюл. № 2, по заявке № 2004/1194.1.
4. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. Москва, изд-во «Машиностроение», 1983, с. 86–92.
5. Туякбаев А. А., Алдамжаров К. Б., Туякбаев Д. А. Способ определения тяги авиационного двигателя. Предпатент РК № 15340, 17.01.2005 г., бюл. № 1.
6. Туякбаев А. А., Алдамжаров К. Б., Туякбаев С. А., Туякбаев Д. А. Способ измерения температуры. Патент РК № 15047, опубл. 15.09.2009 г., бюл. № 9.
7. Туякбаев А. А., Болегенова С. А. Установка для закаливания изделий из железа. Патент№ 30678, опубл. 15.12.2015 г., бюл. № 12