Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Назначение и принципы построения волоконно-оптических преобразователей магнитного поля в информационно-измерительных системах 12
1.1. Информационно-измерительные системы 12
1.2. Сравнительный анализ методов и средств измерения магнитного поля и классификация известных преобразователей магнитного поля 17
1.2.1. Магнитооптические преобразователи 19
1.3. Сопоставительная оценка магнитных преобразователей 20
1.4. Принципы построения волоконно-оптических преобразователей магнитного поля 23
1.4.1. Поворот плоскости поляризации света в витке оптического волокна 25
1.4.2. Разделение луча света с выхода витка оптического волокна на два луча 26
1.4.3. Переплетение входных и выходных световодов витка оптического волокна 29
1.4.4. Последовательное соединение между собой (п-1) чувствительных элементов световода 30
1.4.5. Последовательное соединение оптического волокна с зеркальной пьезокерамической мембраной 31
1.4.6. Использование двух световодов, охватывающих токопровод и соединенных поляризационно-нечувствительным соединителем 34
1.4.7. Введение магнитооптических пленок между оптическим волокном и модовым фильтром 35
Глава II. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя магнитного поля (ВОПМП) для информационно-измерительной системы (ИИС) повышенной безопасности 39
2.1 Физическая модель ВОПМП 39
2.2 Математическая модель ВОПМП 41
2.2.1. Определение основных параметров, характеризующих величину магнитного поля 42
2.2.2. Распространение оптического излучения в веществе 49
2.2.3. Движение световой волны в оптической системе чувствительного элемента ВОПМП 55
Глава III. Определение основных параметров, характеризующих метрологические характеристики информационно-измериетльнои системы с волоконно оптическим преобразователем магнитного поля 72
3.1 Точность ВОПМП и методы ее нормирования 72
3.2 Классификация погрешностей ВОПМП 73
3.3. Методические источники основной погрешности ВОПМП 79
3.3.1. Влияние температуры на диамагнитное оптическое волокно...79
3.3.3. Влияние сторонних источников излучения 80
3.4 Инструментальные источники основной погрешности 83
3.4.1 Влияние погрешности неоднородности среды ВОПМП 83
3.4.2 Нестабильность коэффициента передачи схемы 85
3.5. Внутренние источники дополнительной погрешности ВОПМП 88
3.5.1 Питание от источников вторичного электропитания 89
3.5.2 Питание измерительной цепи от автономного источника 89
3.6 Внешние источники дополнительной погрешности ВОПМП 89
3.6.1. Влияние климатических факторов 90
3.6. Построение модели погрешности ВОПМП для ИИС 91
Глава IV. Разрботка методики проектирования и экспериментальное исследование волоконнооптичекого преобразователя магнитного поля для информационно-измерительной системы 97
4.1. Методика проведения эксперимента 97
4.2. Результаты проведения эксперимента 101
4.3. Основы проектирования ВОПМП 108
4.3.1. Методика проектирования и расчет оптимальных конструктивных и рабочих параметров ВОПМП 109
4.4. Экономическая эффективность инвестиций в ИИС С ВОПМП 113
Заключение 119
Литература 121
Приложения 136
- Сравнительный анализ методов и средств измерения магнитного поля и классификация известных преобразователей магнитного поля
- Математическая модель ВОПМП
- Классификация погрешностей ВОПМП
- Результаты проведения эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Современные предприятия нефтепереработки и нефтехимии представляют собой сложные комплексы, состоящие из технологических установок, предназначенных для выполнения конкретных технологических операций.
В качестве сырья, продуктов и полуфабрикатов установок нефтепереработки выступают смеси углеводородов, которые обладают взрывопожароопасными свойствами. Взрывоопасность установок нефтепереработки определяется не только физико-химическими свойствами углеводородов и их смесей, но также и параметрами технологического процесса.
По данным Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны, ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих предприятиях происходит до 1500 аварий, большая часть которых приводит к пожару и уносит значительное число человеческих жизней, а материальный ущерб составляет более 100 миллионов долларов в год, причем сохраняется четкая тенденция к увеличению этих показателей.
Повышение уровня пожарной опасности в значительной степени определяется дефектами электрооборудования
Решение проблемы обеспечения пожарной безопасности предприятий
нефтеперерабатывающей отрасли, неразрывно связано с построением
современных информационно-измерительных систем (ИИС) для управления
технологическими процессами, отвечающих требованиям искро-,
взрывобезопасности и работоспособности в сложных производственных
условиях. ИИС на основе волоконной оптики, в отличие от традиционных
ИИС, позволяют решать эти задачи.
Качество любой ИИС зависит от характеристик ее компонентов и, в
первую очередь, от характеристик первичных измерительных
преобразователей (ИП) физических величин.
При этом также очень важны такие характеристики ИП, как точность, быстродействие, малые габариты, надежность, чувствительность и другие.
В общем комплексе ИП для напряженности магнитного поля, основанных на различных физических принципах, в последние годы получили широкое развитие волоконно-оптические преобразователи магнитного поля (ВОПМП) в силу ряда присущих им преимуществ: высокое быстродействие (10" с), точность (погрешность до 0,1%), надежность и т.д. Особое место среди них занимают ВОПМП, основанные на магнитооптическом эффекте Фарадея в оптическом волокне, т.к. их применение, взамен магнитных преобразователей на эффекте Холла, позволяет резко уменьшить габариты и массу преобразователей в десятки раз.
Современные ИИС с ВОПМП должны определять техническое состояние электрооборудования, предупреждать аварии, повышать эффективность внеплановых и уменьшать число необоснованных планово-предупредительных ремонтов электрооборудования, а также оценивать остаточный ресурс в первую очередь того электрооборудования, которое отработало свой нормативный срок.
Вопросам теории, расчета и конструирования ВОПМП для ИИС посвящены труды отечественных и зарубежных ученых: Бусурина В. И., Буркова В.Д., Вицинского С.А., Исакова В.Н., Казачкова Ю.П., Кирина И.Г., Кузнецовой В. И., Ловчего И.Л., Пименова А.В., Williams Р, Rose A, Day G, Milner Т, Deeter М. и других.
Однако в этих работах не в полной мере приведены исследования, включающие принципы построения, математическое моделирование, основные и метрологические характеристики, методику проведения экспериментов и разработку основ проектирования ВОПМП для ИИС управления технологическими процессами повышенной безопасности.
Эти исследования особенно необходимы для создания и исследования ИИС с ВОПМП, отвечающей требованиям абсолютной искро-,
взрывобезопасности, с улучшенными характеристиками (высокая точность,
быстродействие, чувствительность). Поэтому тема данной диссертационной
работы, посвященной разработке ИИС с ВОПМП, обладающей
улучшенными характеристиками, является актуальной научно- технической задачей, решение которой позволяет повысить качество функционирования и технико-экономические показатели ИИС, в которых они используются.
Основание для выполнения работы. Исследования в рамках диссертационной работы проводились в соответствии с:
1.Планами научно исследовательской раоботы Уфимской государственной академии экономики и сервиса по теме: Создание датчиков для измерения физических величин.
2.Двумя международными проектами по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС».
Цель диссертации: Создание и исследование информационно -измерительной системы с волоконно - оптическим преобразователем магнитного поля, обладающей улучшенными характеристиками и отвечающей требованиям искро-, взрывобезопасности.
Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:
Провести сопоставительный анализ известных методов и средств контроля напряженности магнитного поля для ИИС управления технологическими процессами и выявить наиболее перспективные из них.
Разработать математическую модель ВОПМП, позволяющую определить увеличения интенсивности светового излучения на выходе чувствительного элемента ВОПМП для ИИС.
Исследовать основные характеристики ВОПМП и дать рекомендации по путям их улучшения для использования в ИИС повышенной безопасности.
Исследовать источники погрешностей и разработать методы повышения точности ВОПМП для ИИС.
5. Разработать основы проектирования ВОПМП для ИИС, обеспечивающих искро-, взрывобезопасность, создать ВОПМП, провести его экспериментальное исследование и обработку результатов эксперимента.
Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением теоретических основ электротехники, электроники, волновой и геометрической оптики, законов поляризационного излучения. При выполнении исследований широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Sigma Plot, Компас, Mat Lab, Visual Basic и др.
На защиту выносятся:
Принципы построения ВОПМП для ИИС, обладающей повышенной безопасностью, сформулированные на основе сопоставительной оценки преобразователей магнитного поля.
Математическая модель ВОПМП, описывающая основные закономерности процессов функционирования преобразователя для ИИС.
Результаты исследования основных характеристик ВОПМП и методы их улучшения для обеспечения эффективности ИИС управления технологическими процессами повышенной безопасности.
Методика проектирования ВОПМП для ИИС и результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Систематизированы принципы построения ВОПМП и дан их анализ, позволяющий создавать искро-, взрывобезопасные ИИС.
Впервые разработана математическая модель ВОПМП для ИИС в виде аналитической зависимости напряжения на выходе усилителя от напряженности внешнего магнитного поля.
На основании исследования основных характеристик разработаны способы улучшения эксплуатационных характеристик ВОПМП, обеспечивающие эффективность функционирования ИИС.
4. Разработана методика расчета ВОПМП с улучшенными характеристиками, позволяющая ускорить проектирование ВОПМП.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Проанализированы принципы построения ВОПМП для искро-, взрывобезопасных ИИС.
Предложена оригинальная конструкция ВОПМП, имеющая повышенную точность и помехоустойчивость, что обеспечит увеличение эффективности функционирования ИИС.
Впервые предложена математическая модель ВОПМП для ИИС, позволяющая выявить способы улучшения основных характеристик ВОПМП.
Проведен комплекс экспериментальных исследований для практического использования ВОПМП для ИИС
Разработана программа «Расчет оптимальных конструктивных и рабочих параметров магнитооптических преобразователей» позволяющая сократить время при проектировании ВОПМП, для ИИС повышенной искро-, взрывобезопасности
Разработана программа «Расчет эффективности инвестиционных проектов», оценивающая эффективность инвестиций ИИС с ВОПМП.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II - ой, III - ей, IV - ой Международной научно - технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, 2006, 2007 гг.); Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (г. Астрахань, 2007, 2008 гг.); Научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование. Наука. Технология. Производство», (г. Салават, 2007 г.), посвященной 450-летию добровольного вхождения Башкирии в состав России (работа отмечена грамотой конференции); Конкурсе на лучшую научную работу студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным
наукам в Уфимской государственной академии экономики и сервиса, (работа отмечена дипломом 2 — ой степени в секции «Механика и технология сервиса») (г. Уфа, 2007 г.); Конференции молодых ученых и инноваторов «Инно - Каспий», (г. Астрахань 2009 г.)
Автором выигран грант по программе «У.М.Н.И.К.» на проект «Магнитооптические преобразователи информационно — измерительных систем контроля электрического тока и магнитного поля», подготовленный на основе исследований, выполненных в данной диссертационной работе.
Основные результаты диссертационной работы внедрены: производственный процесс на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», (г. Салават); учебный процесс в Филиале ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет в г. Салават.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 патент на полезную модель, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и 3 статьи в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основная часть диссертационной работы состоит из 143 страниц машинописного текста, содержит 42 рисунка и 13. таблиц.
Сравнительный анализ методов и средств измерения магнитного поля и классификация известных преобразователей магнитного поля
В настоящее время большое внимание уделяется разработке и совершенствованию измерительных преобразователей магнитного поля.
Для обнаружения повреждений и дефектов необходимо использовать аппаратуру, регистрирующую электромагнитные излучения [117]. Это позволит вывить локальные увеличения уровней магнитного поля и электрического тока. Магнитные измерения тесно связаны с электрическими измерениями, так как электрические и магнитные явления представляют собой части единого электромагнитного процесса. В большинстве случаев при определении той или иной магнитной величины измеряется практически электрическая величина, значение которой представляет собой функцию измерения магнитной величины [11,14,19,].
При определении магнитной величины наряду с величинами, характеризующими магнитное поле, приходится измерять и другие величины, н-р магнитный момент (для характеристики постоянных магнитов), мощность, расходуемую при намагничивании материала и др. Поэтому необходимо провести анализ методов и средств измерений применительно к определенным магнитным характеристикам.
В результате проведенного анализа научно - технической и патентной литературы [12, 16, 18, 35, 47, 53, 63 -103] для построения ИИС контроля магнитного поля можно сделать вывод, что в основном область магнитных измерений базируется на трех эталонах - магнитного потока, магнитной индукции и напряженности и магнитного момента.
Значение магнитных моментов можно определить путем сравнения индукции поля, создаваемого магнитом, с индукцией поля катушки взятой как эталон единицы магнитной индукции, следовательно, зависит от характеристик магнитного материала.
Для систематизации магнитных преобразователей, выработки критериев оценки метрологических и эксплуатационных характеристик используются различные квалификационные признаки. Во многих источниках литературы приводятся классификация магнитоизмерительных приборов по назначению, по условиям эксплуатации, по способу выполняемых измерений, по функциональной связи выходного сигнала с измеряемой величиной, по степени информативности (скалярная, векторная и тензорная величины). Наиболее распространенной следует считать классификацию по принципу использования в преобразователях того или иного физического явления. Такое деление, свидетельствует о разносторонней природе магнетизма, одновременно позволяет провести более четкую оценку точностных показателей конкретного вида преобразования, показать возможности его использования в различных магнитоизмерительных устройствах и системах. В соответствии с данной классификацией различают преобразователи, приведенные в таблице 1.1.
Из приведенной классификации наибольший интерес для данной диссертационной работы представляют магнитооптические преобразователи, в связи с чем рассмотрим их более подробно. Принцип работы магнитооптических преобразователей (МОП) основан на использовании магнитооптических эффектов в специфических доменных структурах, перестраиваемых под воздействием внешних полей (тепловых, магнитных и т.д.) [111].
МОП используют также способы, которыми можно разделить или отфильтровать световые волны в соответствии с их поляризацией. Поляризация с помощью стеклянной пластинки
Поляризацию света можно получить с помощью оптической поверхности. Когда неполяризованный пучок пересекает оптическую поверхность раздела двух сред под косым углом, происходит частичная поляризация отраженной и преломленной волн. Поляризация за счет двулучепреломления
Одним из физических явлений, имеющих место в оптически активных веществах, является то, что вещество имеет различные показатели преломления для различных ориентации поляризации. Это свойство и будет двулучепреломлением.
Поляризация за счет селективного поглощения
Поляризацию можно также получить с помощью дихроичных веществ, т.е. селективного поглощение одной из ортогональных поляризаций неполяризованной световой волны.
Свет, распространяющийся по оптическому волокну, может претерпевать изменение поляризации вследствие различных внешних воздействий, что используется при создании сенсоров [114].
Магнитооптический эффект Фарадея (1845 г.) заключается в том, что под воздействием магнитного поля вектор напряженности которого сонаправлен с направлением света, наблюдается поворот плоскости поляризации света, проходящего через вещество [121]. На рис. 1. 5 приведена структурная схема датчика магнитного поля. Световые лучи передаются от источника света (обычно светодиода) в светочувствительную часть датчика с помощью многомодового оптического волокна.
В чувствительной части световая волна с линейной поляризацией попадает через поляризатор в элемент Фарадея, где под воздействием магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации. Значение угла поворота фР преобразуется анализатором в значение интенсивности света, идалее свет передается оптическим волокном в светоприемное устройство. Для компенсации дрейфа измеряемого сигнала при переменном магнитном поле используется преобразование «переменный ток - постоянный ток».
Использование магнитооптических преобразователей контроля магнитного поля является одним из наиболее перспективных направлений развития ИИС. Волоконно - оптические преобразователи обеспечивают новый уровень интеграции сенсорной системы и контролируемой структуры. Они позволяют объединить преобразователь с системой; при этом волокно часто вводится внутрь системы. К тому же оптоволоконные системы позволяют создать простую схему волоконной сети, охватывающей все
Математическая модель ВОПМП
Структурная схема ВОПМП приведена на рис. 2.1. Преобразователь работает следующим образом: при протекании электрического тока / по проводнику создается контролируемое магнитное поле напряженностью Н.
Это поле воздействует на чувствительном элементе (скрученное оптическое волокно). Создаваемое лазерным диодом когерентное монохроматическое излучение «// в поляризаторе преобразуется в линейно поляризованную световую волну J2. В чувствительном элементе под действием внешнего магнитного поля происходит вращение плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль направления магнитного поля. Световой поток J3 с выхода чувствительного элемента проходит через анализатор и попадает на фотодиод, затем на измерительный блок (рис. 2.2), который состоит из усилителя, далее происходит преобразование сигнала через аналого - цифровой преобразователь и на жидкокристаллическом индикаторе получаем значение контролируемого магнитного поля. Поляризатор и анализатор находятся в скрещенном положении.
Таким образом, существует возможность фиксировать слабое изменение интенсивности светового потока на входе в фотодиод [17]. Наиболее важным элементом в данной схеме является чувствительный элемент, в котором при воздействии магнитного поля на некоторые материалы в них возникает индуцированная оптическая активность. Этот эффект достигается в результате взаимодействия магнитных полей света и электронных орбиталей [91].ВОПМП: 1 - лазерный диод; 2 — соединительное оптическое волокно; 3 - поляризатор; 4 - чувствительный элемент (ЧЭ) (виток оптического волокна); 5 - проводник с током, создающий магнитное поле; 6 - анализатор; 7 - фотодиод (ФД); 8 -операционный усилитель (ОУ); 9 - аналого - цифровой преобразователь (АЦП); 10 - жидкокристаллический индикатор (ЖКИ)
Основными достоинствами ЧЭ являются его малая инерционность (время установления меньше 10"9 с.) а также то, что диамагнитная константа Верде слабо зависит от температуры. Поэтому ВОПМП на основе таких материалов обладают высокой температурной стабильностью.
На рис. 2.2. показана принципиальная схема ВОПМП, в которой использованы следующие обозначения: 1 - лазерный диод; 2 - поляризатор; 3 — элемент Фарадея (скрученное оптическое волокно); 4 - анализатор; 5 -фотодиод; 6 - проводник с током.
На выходе анализатора, с учетом дополнительного поворота плоскости поляризации в ЧЭ на угол фарадеевского вращения pF , и угол пропускания пары поляризаторов у. Рис. 2.2 Принципиальная схема ВОПМП
Под математической моделью ВОПМП будем понимать аналитическое выражение, связывающее величину интенсивности оптического излучения J на выходе анализатора в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля Н, ослабляющих свойств и параметров чувствительного элемента ВОПМП. Определение основных параметров, характеризующих величину Н, создаваемого проводником с током удобнее рассмотреть на основе связи вектора магнитной индукции с силой тока в проводнике. Свойства материала, ЧЭ и параметры оптической системы, рассмотрим на основе волновой теории света.
Магнитное поле есть одна из составляющих электромагнитного поля. Оно создается в ВОПМП, током, протекающим по проводнику, неподвижному в пространстве по отношению к наблюдателю [56].
Для определения напряженности магнитного поля в некоторой точке А поля прямого провода с постоянным током (рис. 2.3) воспользуемся интегральной формой закона полного тока, согласно которому интеграл от напряженности магнитного поля вдоль любого замкнутого контура равен полному току, пронизывающему замкнутый контур: где Н - вектор напряженности магнитного поля; dl - некоторый замкнутый контур.
На рис. 2.3 через точку А проведена окружность радиусом R в плоскости, перпендикулярной оси провода, так что центр ее находится на оси провода. В силу симметрии, напряженность поля во всех точках окружности численно та же. Направление напряженности совпадает с касательной к окружности. Поэтому: т.е. с увеличением радиуса R напряженность магнитного поля убывает по гиперболическому закону. Вместе с тем, напряженность магнитного Н поля пропорциональна току /.Рассмотрим магнитное поле проводника с переменным током. Пусть по отрезку этого проводника длиной dl, находящемуся в воздухе, протекает переменный ток / (рис. 2.4). Будем пользоваться цилиндрической и отчасти сферической системами координат. Ось Z цилиндрической системы направим вдоль проводника. Пусть положительное направление тока по проводнику совпадает с положительным направлением оси Z.
Для расчета магнитного поля воспользуемся векторным потенциалом, или вектор - потенциалом магнитного поля, представляющим собой функцию, ротор которой равен В:
Вектор - потенциал А должен быть подчинен определенным условиям:1) в постоянном магнитном поле divA = 0, т.е. линии вектора потенциала представляют собой замкнутые сами на себя линии;2) в переменном электромагнитном поле:где р - скалярный потенциал магнитного поля; и - скорость распространения электромагнитной волны.
В случае постоянного тока составляющая векторного потенциала А от элемента линейного тока ісіїв произвольной точке пространства С, отстоящей от этого элемента на расстояние R (рис. 2.4), равна:где jua - абсолютная магнитная проницаемость среды (/иа = /лв для воздуха).
В переменном электромагнитном поле имеет место явление запаздывания потенциала переменного электромагнитного поля, физический смысл которого заключается в следующем. Электромагнитная волнаИз выражения (2.14) можно сделать вывод, что в любой точке пространства магнитная индукция от элемента переменного тока имеет две составляющие, одна из них убывает обратно пропорционально квадрату радиуса и изменяется по закону синуса во времени, другая убывает обратно пропорционально первой степени радиуса и изменяется по закону косинуса во времени.
Найдем закон изменения напряженности электрического поля. В соответствии с первым уравнением Максвелла [32]: Для того, чтобы получить проекции Е на направления R и 0, надо соответствующие проекции rot Н разделить на jcoe согласно формуле (2.15). Получаем:
Классификация погрешностей ВОПМП
Погрешность измерения возникает вследствие воздействия многих факторов, сопутствующих измерению. Традиционный аналитический подход при изучении погрешности состоит в разделении ее на составляющие, каждая их которых обусловлена определенным фактором.
Погрешности измерения можно классифицировать по пяти основным признакам, приведенным в таблице 3.1.где А0 - основная погрешность; А(Б) - объединение дополнительныхпогрешностей, обусловленных действием влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала; Ад- динамическаяпогрешность [23].
Символ « » [107] обозначает объединение погрешностей, т.е. некоторый функционал, позволяющий рассчитать погрешность, обусловленную совместным воздействием этих составляющих.
Согласно приведенным выше признакам появления погрешностей для ВОПМП, их можно классифицировать по характеру проявления. Составляющие погрешности ВОПМП подразделяются на систематические и случайные.
По второму признаку возникновения погрешностей (см. таблицу 3.1) ВОПМП, необходимо учесть, что каждое средство контроля предназначенодля работы в определенных условиях, указываемых в нормативно-технической документации. При этом отдельно указывают нормальные условия применения средств измерения и контроля, т.е. условия, при которых величины, влияющие на погрешности данного средства измерения, находятся в пределах нормальной области значений, и рабочие условия применения — условия работы, при которых значения влияющих величин выходят за пределы нормальных, но находятся в пределах рабочих областей.
Основная погрешность имеет место в нормальных условиях эксплуатации ВОПМП по ГОСТ 22261-94 , таблица 3.2.Основная и дополнительная погрешности делятся на следующие составляющие: первая - на методические и инструментальные, вторая - на внешние и внутренние.Относительно ВОПМП методической составляющей будут: влияние температуры на диамагнитное оптическое волокно и влияние сторонних источников излучения.
В итоге, методическая погрешность в результате проведения измерений, может быть оценена или даже скомпенсирована практически полностью.Инструментальная составляющая согласно ГОСТ 16263-70 зависит от применяемых средств измерений, и вызывается их схемными, конструктивными и технологическими недостатками, а также состоянием в процессе эксплуатации. К инструментальной погрешности ВОПМП можно отнести неоднородность среды оптического волокна и нестабильность коэффициента передачи схемы ВОПМП.
К внутренней составляющей дополнительной погрешности относятся погрешности: питание от источников вторичного электропитания, питание измерительной цепи от автономного источника.Внешние составляющие дополнительной погрешности зависят от влияния климатических факторов.
По характеру связи с уравнением преобразования ВОПМП погрешности делятся на аддитивную и мультипликативную погрешности.Аддитивная погрешность (погрешность нуля) остается постоянной во всем диапазоне измерений и не зависит от значения преобразованной величины. В основном она определяется наличием внешних факторов.
Мультипликативная погрешность (погрешность чувствительности) возрастает или убывает с ростом измеряемой величины вследствие несовершенства технологии изготовления ВОПМП.Погрешность результата измерения ВОПМП в общем случае имеет две составляющие: систематические и случайные. Это происходит в результате того, что в процессе преобразования исходные значения не остаются постоянными, потому, что в эксперименте невозможно учесть значения факторов, воздействующих на результат измерения.
Таким образом, вследствие влияния на погрешность измерения ее случайной составляющей, общую погрешность ВОПМП также следует считать случайной величиной.
Общую погрешность преобразователя можно определить аналитически и экспериментально.
Результаты проведения эксперимента
Степень нелинейности характеристики зависит от диапазона, в пределах которого предполагается ее использовать, и может быть найдена графически.
Результаты расчетов по формуле (2.72) показывают, что при Н= 0 А/м интенсивность падающего излучения J= 107,4 Вт/м2, а при дальнейшем его увеличении зависимость J =f(H) имеет практически линейный характер (рис. 4.7). При этом максимум степени нелинейности статической характеристики составляет єтах=0,7 %.
При проведении экспериментального исследования выполнен ряд измерений и построена экспериментальная зависимость Ueblx = f(H). На рис. 4.7 приведены теоретическая и экспериментальная характеристики ВОПМП.
На основании анализа полученных результатов можно сделать вывод о правильности теоретических предположений (рис. 8). Максимальное расхождение теоретической и экспериментальной характеристик не превышает 12%.
Установлен диапазон контроля напряженности магнитного поля Н=0,5-500 А/м; чувствительность S= 0,00012 (Вхм)/А.В таблице 4.1. приведены результаты экспериментальных исследований выходной характеристики ВОПМП. В пятнадцати точках диапазона преобразования было проведено по десять наблюдений. Их обработка была произведена по IBM PC в соответствии с ГОСТ 8.207 -76 [24] «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».
Оценим чувствительность ВОПМП, учитывая данные таблицы 4.1. Обработка результатов измерений проводились в следующем порядке:1. Результаты каждого измерения записывали в таблицу.Вычисляем среднее арифметическое значение напряжения на выходе приемно-усилительного блока для N = 10 наблюдений4. Определяли сумму квадратов случайных погрешностей5. Определяли среднее квадратичное отклонение ряда наблюдений6. По доверительной вероятности Р=0,9 для доверительного интервала числа измерений N=10 находили по таблице распределения Стьюдента [108] значение коэффициента Стьюдента =1,83.7. Определяли границы доверительного интервала погрешности среднего значения с учетом квантиля распределения Стьюдента8. Результат измерения записывали в виде9. Приведенная погрешность в начале диапазона преобразованиягде ивых,к - номинальное значение предела преобразования.
На рис. 4.8. приведена экспериментальная номинальная характеристика ВОПМП, представляющая собой зависимость выходного напряжения от напряженности контролируемого магнитного поля, и полоса погрешностей ВОПМП (масштабы погрешностей увеличены в 10 раз), построенная по методике, изложенной в работах [6, 28, 34, 55, 123].
Аналогичный порядок вьиислений выполнен в точках диапазона преобразования ВОПМП: Н=0,5 А/м, Н= 154А/м, Н=279 А/м, Н=402 А/м, Н=503 А/м, и представлен в таблице 4.2. Конструкция любого преобразователя магнитного поля должна удовлетворять следующим требованиям:1. Обеспечение достаточно высокой чувствительности волоконного световода к воздействию на световую электромагнитную волну напряженности внешнего контролируемого магнитного поля. Это достигается правильным выбором оптической схемы прибора, качеством изготовления отдельных оптических деталей и узлов прибора, удобной и точной юстировкой и надежным закреплением отдельных деталей и узлов; в случае необходимости должна быть предусмотрена температурная компенсация.2. Обеспечение заданной точности показаний прибора. Это достигается выбором оптимальной кинематической схемы с наименьшим количеством звеньев и использованием наиболее точных видов передач, компенсацией возможных ошибок, назначением допусков в соответствии с расчетом механизмов на точность, минимальным трением в подвижных соединениях и правильным выбором материалов.3. Надежность прибора в эксплуатации (постоянство его рабочих характеристик). Это обеспечивается соответствием выбранных материалов и деталей условиям работы прибора, надежностью
