Введение к работе
Актуальность работы
В связи с быстрым развитием автоматизированных систем
управления и контроля, внедрением новых технологических
процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам
стремительно возрастает потребность в датчиках. Помимо высоких
метрологических характеристик датчики должны обладать высокой
надёжностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами,
массой и энергопотреблением, совместимостью с
микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоёмкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени соответствуют волоконно-оптические датчики [1].
Приборы для измерения влажности газовых сред широко
используются практически во всех областях человеческой
деятельности - в промышленности, сельском хозяйстве,
метеорологии, музеях, библиотеках, хранилищах и т.д., занимая
значительную долю существующих средств измерений. Особенно
остро задача измерения влажности газов стоит в таких областях, как
микроэлектроника, атомная энергетика, химическая
промышленность, а также транспортировка природного газа. Специфика областей применения гигрометров выдвигает особые требования к функциональным характеристикам применяемых в их составе чувствительных элементов [2].
В связи с ужесточением требований к условиям производства и хранения продукции все чаще возникают задачи непрерывного мониторинга параметров микроклимата в складских и производственных помещениях. Кроме того, растёт актуальность задачи организации распределённых измерений относительной влажности в сложных окружающих условиях, например, при организации локализации места утечки теплоносителя в контуре охлаждения ядерного реактора. Применение волоконно-оптических преобразователей относительной влажности и температуры предлагает широчайшие возможности для построения систем
распределённых измерений, в том числе и в сложных окружающих условиях, так как они нечувствительны к внешним магнитным полям, не подвержены коррозии, позволяют проводить детектирование на значительном удалении и предоставляют широчайшие возможности по мультиплексированию.
Другой специфической областью применения гигрометров
является контроль Благосостояния технологических газов
микроэлектроники, химической и фармакологической
промышленности, а также природного газа при его транспортировке. Основной особенностью этих областей применения гигрометров являются повышенные требования к их метрологическим характеристикам в области низких концентраций влаги. Как показал сравнительный анализ методов и тенденций измерения влажности технологических газов, решение поставленных задач возможно с помощью конденсационного метода, сущность которого заключается в измерении температуры, до которой необходимо охладить прилегающий к охлаждаемой поверхности слой анализируемого газа для того, чтобы довести его до состояния насыщения при рабочем давлении.
Основной проблемой при создании конденсационного гигрометра для измерения низких концентраций влаги является разработка высокочувствительного детектора образования конденсата, поскольку при низких значениях влажности анализируемый газ содержит очень малое количество влаги и для обеспечения приемлемого быстродействия необходимо детектировать формирование сконденсированной фазы на уровне долей микрон.
Датчики типа «охлаждаемое зеркало» не обладают достаточной чувствительностью и временем реакции в заданном диапазоне, поэтому продолжаются работы в направлении поиска возможностей увеличения чувствительности сенсора.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование волоконно-оптических методов измерения влажности, направленных на измерение относительной влажности и точки росы в широком диапазоне концентраций водяного пара.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
провести анализ методов измерения и тенденций развития технических средств измерения влагосодержания и Благосостояния и выбрать метод, позволяющий наиболее эффективно решить задачу измерения влажности в каждом соответствующем диапазоне;
разработать конструкцию и технологический маршрут изготовления волоконно-оптического сорбционного сенсора относительной влажности, выбрать оптимальную технологию мультиплексирования датчиков;
разработать конструкцию и технологический маршрут изготовления волоконно-оптического конденсационного сенсора микровлажности;
разработать подходы к созданию законченных приборов, реализующих разработанные методы измерений.
Научная новизна:
На основании проведённого моделирования параметров волоконных брэгговских решеток, проведён выбор оптимальных параметров их записи.
Исследованы особенности записи аподизированных волоконных брэгговских решёток с применением тримминга для получения заданных спектральных параметров, оптимальных для использования решёток в качестве чувствительных элементов датчиков влажности. Показана возможность их использования для создания волоконно-оптических датчиков относительной влажности.
Предложен метод измерения точки росы, основанный на изменении коэффициента отражения от скола оптического волокна при его охлаждении до температуры, при которой прилегающий к охлаждаемой поверхности слой анализируемого газа достигает
состояния насыщения. Показана возможность применения разработанного метода определения слоя конденсата для создания волоконно-оптического гигрометра точки росы.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:
Разработан технологический процесс записи волоконных брэгговских решёток заданного профиля для использования их в качестве чувствительных элементов датчиков.
Разработаны два варианта архитектуры распределенных волоконно-оптических измерительных линий на основе мультиплексированных измерительных преобразователей относительной влажности для распределённого мониторинга влажности и температуры.
Разработаны методы температурной компенсации показаний измерительных преобразователей относительной влажности за счёт введения дополнительного канала для измерения температуры.
Предложена конструкция миниатюрного волоконно-оптического детектора образования конденсата, позволяющего создать недорогой гигрометр точки росы с повышенным быстродействием.
На защиту выносятся следующие положения:
Теоретическое обоснование выбранных методов измерения влагосодержания и Благосостояния для волоконно-оптических датчиков влажности.
Технологический процесс изготовления волоконных брэгговских решёток заданного профиля для использования их в качестве чувствительных элементов датчиков.
Метод измерения точки росы газов, основанный на изменении коэффициента отражения от скола оптического волокна при его охлаждении до температуры, при которой прилегающий к охлаждаемой поверхности слой анализируемого газа достигает состояния насыщения.
Методики исследований и достоверность результатов: Методики исследований базируются на основах теории оптических волноводов, математическом моделировании. В экспериментах использовалась точная измерительная аппаратура.
Достоверность основных результатов подтверждается большим объёмом и комплексностью проведённых исследований, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями промышленных образцов и обсуждениями на научно-технических конференциях.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы используются в Научно-производственной компании «Оптолинк» в процессе разработки волоконно-оптического гигрометра точки росы.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на:
XVI ВНТК «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 2006;
Всероссийский молодёжный научно-инновационный конкурс -конференция «Электроника - 2006», Москва, 2006;
14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-2007», Москва, 2007;
International Symposium on "Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics", Ekaterinburg, 2007;
IX Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск, 2007
Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2007;
3rd French-Russian Seminar: "New Achievements in Materials and Environmental Sciences" NAMES-2007, Metz, France, 2007
First Mediterranean Photonics Conference, Ischia-Napoli, Italy, 2008;
14th European Conference on Integrated Optics, Eindhoven, Netherlands, 2008;
15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-2008», Москва, 2008;
Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008», Москва, 2008;
SPIE Europe Optics + Optoelectronics, Prague, Czech Republic, 2009.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе: статья в журнале «Известия ВУЗов, серия Электроника», а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.
Личный вклад автора:
Подготовка и выполнение всех описанных экспериментов. Анализ, систематизация и обсуждение всех результатов, а также участие в постановке задач и интерпретации.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 122 страницы машинописного текста, включая 12 таблиц, 46 рисунков и список литературы в количестве 81 наименований, а также приложение, содержащее 6 страниц.
