Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Общие вопросы разработки волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости
1.1 Особенности построения датчиков уровня жидкости для ИИС 11
1.2 Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости в информационно-измерительных системах ракетно-космической техники 16
1.3 Классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей 24
1.4 Анализ известных технических решений и обоснование выбора конструкции и способа измерения уровня жидкости 33
Выводы 43
ГЛАВА 2 Математическое моделирование процессов происходящих в оптическом чувствительном элементе
2.1 Распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости 44
2.2. Определение местоположения оптического чувствительного элемента относительно излучающего торца оптического волокна волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости 49
2.3 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе с управляющим элементом в виде границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления 56
2.4 Математическая модель функции преобразования волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости 67
Выводы 70
ГЛАВА 3 Особенности физичской реализации волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости
3.1 Расчет параметров оптического чувствительного элемента 71
3.2 Особенности построения и принцип действия волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости 79
3.3 Принцип действия волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости с компенсационным каналом и функция преобразования 83
3.4 Разработка универсального блока преобразования информации для волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости 95
Выводы 105
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования и разработка способов снижения погрешностей волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости
4.1 Источники погрешностей амплитудных волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости и способы их уменьшения 106
4.2 Способ уменьшения температурной погрешности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости 120
4.3 Способ воспроизведения уровня жидкости 124
4.4 Экспериментальные исследования макетного образца волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости 128
Выводы 136
Заключение 137
Перечень принятых сокращений 139
Литература 140
- Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости в информационно-измерительных системах ракетно-космической техники
- Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе с управляющим элементом в виде границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления
- Принцип действия волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости с компенсационным каналом и функция преобразования
- Способ уменьшения температурной погрешности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время интенсивными темпами ведутся разработки волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ИИС), отличающихся повышенной искро-, взрывобезопасностью и помехозащищенностью, требующие определенной номенклатуры волоконно-оптических датчиков (ВОД). Основное преимущество ВОД перед электрическими обусловлено, прежде всего, их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в ИИС. Внедрение волоконно-оптических ИИС необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракетоносителей.
Контроль уровня жидкости на борту летательных аппаратов занимает до 10 % от общего числа всех измерений. Одним из важных требований, предъявляемых к системе контроля уровня жидкости, являются обеспечение безопасности и высокая точность измерения. В настоящее время в ракетно-космической технике (РКТ) применяются только два типа уровнемеров: по-плавково-индуктивный и емкостный - в которых используются элементы электрических цепей и существует вероятность возникновения искры, так как топливо, используемое в РКТ, взрывоопасно. Дальнейшее совершенствование системы контроля уровня жидкости на изделиях РКТ возможно по пути использования новых перспективных средств измерения. Поэтому создание сигнализатора уровня жидкости для ИИС изделий РКТ, в котором отсутствуют электрические цепи, является актуальной задачей.
Эту задачу можно решить путем создания сигнализаторов уровня жидкости на базе волоконно-оптической техники. Поэтому данная работа посвящена созданию волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости (ВОСУЖ).
Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: В. М. Бусурина, М. М. Бутусова, Ю. А. Гуляева, И. И. Гроднева, Е. А. Зака, М. П. Лисицы, В. М. Гречишникова, Я. В. Малкова, Т. И. Мурашкиной, А. Л. Патлаха, Н. П. Удалова и др. В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования ВОСУЖ для изделий, эксплуатируемых в условиях РКТ.
На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных с точки зрения конструктивных и схемных решений ВОСУЖ, принцип действия которых основан на использовании условия полного внутреннего отражения (ПВО) светового потока от границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломления.
Основным недостатком, ограничивающим использование подобных ВОСУЖ, является существенное влияние внешних факторов на точность измерения. Использование простых компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметрических измерений за счет применения большого количества простых ВОСУЖ позволяют повысить точность измерений уровня жидкости.
Существенным недостатком известных технических решений ВОСУЖ, использующих ПВО светового потока, является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями светового потока в местах соединения чувствительного элемента ВОСУЖ и волоконно-оптического кабеля, а также при прохождении светового потока через чувствительный элемент ВОСУЖ. Это объясняется тем, что в известных ВОСУЖ не полностью учтены особенности пространственного распределения светового потока в оптическом канале, недостаточно решены вопросы оптимизации конструктивных параметров чувствительного элемента ВОСУЖ и т. д. Поэтому при проектировании ВОСУЖ на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, несущего измерительную информацию, характер поведения светового потока при наличии и отсутствии жидкости в зоне измерения.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости, используемых в информационно-измерительных системах изделий ракетно-космической техники.
Научная задача, решаемая в работе, - исследование и разработка научно обоснованных технических решений волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Эта цель достигается решением следующих задач:
- разработкой структурных, математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов в ВОСУЖ;
- разработкой новой конструкции чувствительного элемента ВОСУЖ;
- проведением математической формализации распределения светового потока в пространстве чувствительного элемента;
- проведением оптимизации конструктивных параметров чувствительного элемента, обеспечивающих максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала;
- разработкой конструкции ВОСУЖ с компенсационным каналом, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения и механических деформаций волоконно-оптического кабеля ВОСУЖ;
- разработкой способа воспроизведения уровня жидкости, позволяющего более точно определять разброс положения точки срабатывания и дифференциал хода ВОСУЖ;
- проведением экспериментальных исследований изготовленных макетных образцов ВОСУЖ для подтверждения расчетных данных.
Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОСУЖ использовались основные положения волновой, геометрической оптики, применялись методы математической физики. При решении задач по повышению метрологических и эксплуатационных характеристик ВОСУЖ использовались положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторного макета.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 Разработаны структурные, математические, метрологические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОСУЖ.
2 Разработана конструкция оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) ВОСУЖ в виде стержня с шаровым сегментом, обеспечивающая максимальный перепад сигнала и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.
3 Разработана математическая модель распределения светового потока в пространстве ОЧЭ в виде стержня с шаровым сегментом, на основании которой путем оптимизации конструктивных параметров ОЧЭ получают улучшенные метрологические характеристики ВОСУЖ.
4 Разработан способ преобразования информации, который позволяет снизить дополнительную погрешность ВОСУЖ.
5 Разработан способ воспроизведения уровня жидкости.
6 Разработаны новые технические решения ВОСУЖ с компенсационным каналом, обеспечивающие высокие метрологические характеристики и надежное функционирование ВОСУЖ в условиях, характерных для объектов РКТ.
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПТУ) на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания новых ВОСУЖ, использующих эффект ПВО, с улучшенными метрологическими и эксплуата ционными характеристиками и внедрения их в ИИС на изделия ракетно-космической техники.
Экспериментально исследованы метрологические и эксплуатационные характеристики разработанных макетных образцов ВОСУЖ с компенсационным каналом, подтвердившие основные теоретические положения диссертационных исследований.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к промышленному производству и внедрению ВОСУЖ. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, договора № 289/3 от 30.10.05 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПТУ, договора № 275 от 01.02.04 (НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза) и ПТУ.
Диссертация выполнялась и реализовывалась в ПТУ при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию. № Г.Р. 01.2.006 10437 «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом».
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОСУЖ, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетного образца ВОСУЖ.
Разработаны макетные образцы ВОСУЖ: шифр ПГУ-СУ01-001, ПГУ-СУ02-001.
Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОСУЖ использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», НИР «Устройства сбора и обработки дан ных в ИИС», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на XXIII, XXV российских НТК молодых ученых и специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века» (г. Пенза, 2004, 2006 гг.), «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 24-31 мая 2004 г.), Международном симпозиуме «Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем», (г. Пенза 2-5 октября 2005 г.), Международной НТК «Датчики и систе-мы-2005» (г. Пенза, 6-Ю июня 2005 г.), «Надежность и качество-2006» (г. Пенза, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 13 статей в центральных изданиях и межвузовских сборниках, 1 научно-технический отчет. Без соавторов опубликовано 2 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, 7 приложений. Основная часть изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 7 таблиц. Список литературы состоит из 101 наименования. Приложения к диссертации занимают 15 страниц.
На защиту выносятся:
1 Новая конструкция ОЧЭ в виде стержня с шаровым сегментом, обеспечивающая максимальный перепад сигнала и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.
2 Математическая модель распределения светового потока в ОЧЭ в виде стержня с шаровым сегментом ВОСУЖ.
3 Способ снижения дополнительной погрешности ВОСУЖ.
4 Способ воспроизведения уровня жидкости.
5 Результаты графоаналитического машинного и практического экспериментов по определению поведения светового потока в пространстве ВОСУЖ.
Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости в информационно-измерительных системах ракетно-космической техники
В России ведутся работы по совершенствованию и созданию различных волоконно-оптических устройств, систем, их компонентов и технологии изготовления самих оптических волокон. Достаточно отработаны и уже широко используются волоконно-оптические линии связи, которые являются одним из важных направлений развития перспективных способов передачи информации в телекоммуникационных системах [23, 24]. Ведутся интенсивные разработки в области создания внутриобъектовых волоконно-оптических ИИС (ВОИИС), обеспечивающих более эффективное использование информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными системами сбора и преобразования информации в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной пожаро-, взрыво-, электробезопасности [42].
ВОИИС отличаются использованием в качестве физической среды ВОК, чем достигаются: - отсутствие влияния на результат измерения электромагнитных полей; - отсутствие побочных электромагнитных излучений; - отсутствие перекрестных помех каналов, т. е. утечек сигналов между проводами многожильного кабеля; - отсутствие проблем, связанных с контурами заземления и с напряжениями смещения в местах соединения разнородных проводников; - меньшие потери и меньшая потребляемая электрическая мощность; - существенно меньшая электрическая опасность и отсутствие проблемы дугообразования и искрения; - высокая стойкость к вредным воздействиям среды; - более тонкий, более легкий (в 2 раза), чем электрический, многожильный кабель; - простота мультиплексирования сигналов; - очень высокая скорость передачи данных с частотой до нескольких гигагерц и более (если это необходимо) [37]; - меньшая стоимость обеспечения эквивалентной пропускной способности линии связи в сравнении с традиционными сетями [79]. Вышеперечисленные достоинства ВОИИС определяют перспективность использования их в специальных условиях эксплуатации. Создание и внедрение на отечественных объектах ВОИИС предполагают разработку определенной компонентной базы и, в первую очередь, волоконно-оптических датчиков различных физических величин минимального номенклатурного состава: давления, перемещения, скорости, ускорения, уровня жидкости, частоты вращения, силы, температуры. Основное преимущество ВОД, используемых в ВОИИС, обусловлено, прежде всего, их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в ВОИИС [84]. Кроме того, ВОД: - могут использоваться во взрывоопасной среде ввиду абсолютной искро- и взрывобезопасности; - имеют высокую механическую прочность, малые габариты, простую конструкцию и, соответственно высокую надежность; - химически инертны; - изготавливаются из диэлектрических материалов, чем обеспечивается отсутствие путей прохождения через них электрического тока; - имеют высокую стойкость к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и другим воздействиям окружающей среды; - позволяют производить бесконтактные и дистанционные измерения; - потребляют малое количество энергии; - сигналы, идущее от датчиков, позволяют производить простое мультиплексирование; - некоторые ВОД могут использоваться в ситуациях, в которых электронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо такое использование сопровождается значительными трудностями и расходами (например, измерение температуры в высоковольтных электрических аппаратах, таких как генераторы переменного тока, трансформаторы; измерение тока и напряжения в высоковольтных линиях электропередачи; быстрое измерение температуры небольших поверхностей, имеющих малую теплопроводность и переменную отражающую способность; в труднодоступных местах). ВОД характеризуются обеспечением чрезвычайно высокого уровня безопасности при эксплуатации. Отсутствие источника электрической мощности в зоне измерения и замена ее световой энергией с уровнем не выше 1 мВт гарантирует совершенно безопасную работу ВОД в потенциально по-жаро- и взрывоопасных условиях. Важнейшим достоинством ВОД является невосприимчивость их к помехам, создаваемых высокочастотными электромагнитными полями и токами замыкания через землю. Благодаря этому достоинству ВОД возможно получение большой экономии в области управления технологическими процессами, поскольку появляется возможность прокладки силовых электрических кабелей и измерительных трасс в единых каналах. В высоковольтных сетях электропередачи такая невосприимчивость к помехам дает возможность прокладывать волоконно-оптические линии передачи информации и сигнализации параллельно силовым линиям. Применение ВОД устраняет опасность поражения электрическим током, поэтому они предпочтительнее электрических датчиков в системах медицинского назначения. ВОД позволяют организовать распределенную систему измерения со значительными расстояниями (до 1 км) между отдельными устройствами с передачей данных по единому ВОК. Преимущества ВОД в комплексе с достоинствами ВОИИС еще четче обозначают перспективность и целесообразность их применения. Но в настоящее время, когда техника передачи оптических сигналов по волоконно-оптическим каналам отработана достаточно хорошо, работы по созданию отечественных ВОД только выходят за рамки лабораторных исследований, отсутствует минимально необходимая, отработанная для серийного изготовления номенклатура ВОД, а разработанные ВОД имеют разные входные и выходные параметры, чаще всего рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при воздействии жестких внешних влияющих факторов. Отсутствуют информационная, параметрическая и конструктивная совместимость ВОД с ВОИИС.
Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в области их разработок в ближайшие годы станут сдерживающим фактором создания и внедрения ВОИИС. Поэтому существует настоятельная потребность в быстрейшем создании ВОД различных типов, пригодных для промышленного освоения и сопрягаемых как с традиционными, так и вновь разрабатываемыми ВОИИС контроля, управления, диагностики, аварийной защиты для различных объектов народного хозяйства.
На рисунке 1.1 показано соотношение спроса и предложения на ВОД у нас и за рубежом [8,41].
Из рисунка 1.1 видно критическое отставание отечественных разработок от мирового уровня и темпов создания ВОД. Связано это прежде всего с недостаточными затратами на НИОКР в области создания ВОД по сравнению с соответствующими расходами на электронные устройства.
Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе с управляющим элементом в виде границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления
При проектировании ВОСУЖ часто возникают проблемы, связанные с большими потерями светового потока в местах соединения ОЧЭ с торцами ПОВ и ООВ, а также в самом ОЧЭ, что приводит к низким метрологическим характеристикам.
В отличие от устройств, в которых ОВ играют пассивную роль, передавая потоки излучения от одних элементов к другим, и не оказывают существенного влияния на ход функции преобразования, элементы волоконной оптики, используемые в ВОП, их конструкция и параметры определяют реальные метрологические характеристики [1, 54].
Из большого многообразия форм ОЧЭ ВОСУЖ особое внимание заслуживает предложенная автором (в соавторстве) конструкция ОЧЭ, представляющая собой стержень круглого сечения из оптически прозрачного материала, рабочий торец которого имеет шаровидную форму [28]. Данный ВОСУЖ использует контактный метод измерения, основанный на выполнении и нарушении условия ПВО при отсутствии контакта ОЧЭ с жидкостью и при контакте с жидкостью соответственно. Стоит задача получить высокие метрологические характеристики ВОСУЖ.
Эффективность управления световым потоком в оптическом канале оценивается по следующим критериям: глубине модуляции оптического сигнала, значению вносимых потерь, чувствительности к управляющему сигналу (жидкости), эффективности преобразования оптического сигнала, инерционности, технологичности изготовления, работоспособности в жестких условиях эксплуатации на протяжении всего срока службы с заданной точностью преобразования. Максимальная глубина модуляции интенсивности mmax определяется выражением [78] где IQ, Im - интенсивность света на выходе оптического канала без воздействия жидкости и при воздействии.
Максимальная глубина модуляции является важным критерием качества, так как от нее зависит отношение сигнал/шум на приемнике излучения, называемое также контрастным отношением. При обработке оптических сигналов контраст должен быть 20...100, т. е. не хуже 10 дБ.
Глубина модуляции непосредственным образом связана с вносимыми потерями элементами и устройствами управления. Если интенсивность света на входе средства управления равна /,-, то вносимые им потери L определяются следующим образом [12]:
Большую глубину модуляции и вносимые потери интенсивности оптического сигнала имеют, в первую очередь, аттенюаторы [42]. Это объясняется тем, что в сравнении с другими типами управляющих устройств в аттенюаторах существенно меньше неинформативные потери, по сравнению с В ОСУ Ж потери светового потока происходят на границах раздела сред.
При решении поставленной задачи необходимо вывести математическую модель распространения светового потока по оптическому каналу "ПОВ - ОЧЭ - ООВ" и путем оптимизации найти значения конструктивных параметров ОЧЭ, обеспечивающих получение высокой чувстви 58 тельности сигнализатора. Т.е. преследуется цель, возможность четко различать два состояния: погружен ли ОЧЭ в жидкость или находится над ней, при этом перепад интенсивности оптического сигнала Q определяется как [70] Q = (Ф, + Ф2)/Фі где Фь Фг- интенсивности светового потока на выходе ОЧЭ, находящегося в газовой среде и жидкости соответственно. Для надежной работы сигнализатора в погруженном и непогруженном состояниях этот перепад между выходными сигналами должен быть максимальным.
Построим математическую модель распространения светового потока в предлагаемом ОЧЭ и исследуем влияние на математическую модель изменения конструктивных параметров ОЧЭ, а именно: L - длина ОЧЭ; Ri- радиус ОЧЭ; X, - расстояние от ПОВ (ООВ) до ОЧЭ (см.п.п. 2.1,2.2). Для построения модели необходимы следующие справочные данные: QNA - апертурный угол ОВ; п\ - показатель преломления ОЧЭ; щ - показатель преломления среды (воздуха), щ=\\ п - показатель преломления исследуемой жидкости; dc- диаметр сердцевины ОВ; d0 - диаметр оболочки ОВ
Вследствие того, что ход лучей во всех направлениях одинаков, при построении модели будем рассматривать прохождение лучей в некоторой плоскости. Такое допущение позволяет несколько проще построить данную модель, что ни в коей мере не накладывает ограничений на ее использование. Так как трехмерная картина распределения интенсивности света при выходе из ОЧЭ получается вращением графика одномерной функции распределения интенсивности вокруг оси симметрии.
Принцип действия волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости с компенсационным каналом и функция преобразования
Напряжение питания Un подается на УБПИ и запитывает схему обработки сигналов и схему модулятора, с выхода последней выдается напряжение 11ш, которое питает ИИ ВОСУЖ, последний в свою очередь начинает излучать световой поток Ф0. При этом часть светового потока Ф0 от ИИ проходит по рабочему каналу, испытывая воздействие измеряемой физической величины, а часть по компенсационному каналу. После прохождения светового потока Ф0 по рабочему и компенсационному каналу, на их выходах получает световые потоки Фор, Фок, которые поступают на ПИ рабочего и компенсационного канала соответственно. С выходов ПИ на вход схемы обработки сигналов поступает фототок /р(Аи), 1К рабочего и компенсационного канала соответственно. Схема обработки сигналов производит следующие преобразования. Усиливает сигналы, т.к. при прохождении светового потока по ВОСУЖ происходят его потери [21, 52, 53], далее выполняет операции суммирования UP+UK и вычитания UP-UK сигналов с рабочего и компенсационного каналов, после чего выполняет операцию деления сигналов (UP-UK )/(Up+UK) деление производится с помощью аналогового делителя. И окончательно на выходе УБПИ получаем сигнал
Спектральный диапазон излучения ИИ следует выбирать из условий минимального поглощения света материалом ОВ, ОЧЭ. Для обычных стекол можно использовать излучатели видимого спектра. Однако существующие миниатюрные излучатели видимого спектра излучения имеют небольшую мощность излучения или недостаточную долговечность [44, 80]. Поэтому наиболее предпочтительными для использования являются источники инфракрасного излучения, имеющие небольшие габариты и высокую мощность излучения. В качестве ИИ предпочтение отдается свето-диодам, т.к. по сравнению с суперлюминесцентными и лазерными диодами они выигрывают по надежности и стоимости, а на объектах ракетной тех 97 ники надежность ИИС, соответственно всех ее компонентов является важнейшим требованием.
Выбор ПИ необходимо проводить из условия максимального согласования его спектральной характеристики (СХ) со СХ ИИ [71]. Кроме этого, ПИ, используемые в ВОСУЖ должны отвечать следующим требованиям: быть надежными, иметь высокую чувствительность в рабочем диапазоне длин волн (не ниже 45 дБ), большое быстродействие, низкий уровень вносимых шумов, малые массу и габариты, точно воспроизводить форму принимаемого сигнала. Наиболее надежными в жестких условиях эксплуатации являются полупроводниковые фотодиоды (ФД), которые в наибольшей степени удовлетворяют всем вышеперечисленным требованиям [9, 76]
Из выпускаемых отечественной промышленностью ИИ и ПИ наиболее подходящими и отвечающими выше перечисленными требованиям являются светодиод ЗЛ107Б и фотоприемник ФД 256.
В приложении Б приведена спектральная согласованность фотоприемников типа ФД-256, ФД-19КК со светодиодом ЗЛ107Б
Питание ИИ осуществляется в различных режимах: постоянным током, в импульсном режиме и функциональном режиме (например, питание током, сформированным по экспоненте). В приложении В приведены эти режимы, их временные диаграммы и математическое представление.
Т.к. в ВОСУЖ существует вероятность присутствия внешней засветки, то приемлемым является импульсный режим питания ИИ. Данный режим упрощает процесс усиления и обработки сигнала. Уменьшается энергопотребление, что крайне необходимо при разработке приборов с автономным питанием [44, 90]. Мощность рассеяния на ИИ можно определить с учетом линейной аппроксимации В АХ по следующей формуле [44]:
Следовательно, для получения необходимой мощности излучения необходимо уменьшить длительность импульса /и и увеличить паузы Т между импульсами. Однако следует отметить, что длительность импульсов тока ограничена быстродействием фотоприемника [9, 51]. Если фотопроводимость (фототок) успевает установится за (3 - 4) ц, то Подбирая необходимую скважность, можно обеспечить достаточно высокую мощность излучения, на один-два порядка превышающую номинальную мощность излучения ИИ.
Учитывая характеристики светодиода ЗЛ107Б [32] и фотодиода ФД 256 [80], определяем, что схема формирования импульса должна выдавать сигнал частотой/ 1,5 кГц.
Схема формирования импульса представляет собой задающий генератор, в нашем случае построенный на микросхеме 564 ЛЕ5 (рисунок 3.17). При подаче на вход 14 микросхемы 564 ЛЕ5 напряжения питания, на её выходе формируется последовательность импульсов прямоугольной формы. Частота следования импульсов /и определяется как [83]
Способ уменьшения температурной погрешности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости
Аддитивная составляющая погрешность не влияет на результат измерения, если в нормативно-техническую документацию вносится градуи-ровочная характеристика сигнализатора, смещенная вдоль оси ординат относительно номинальной функции преобразования на величину аддитивной погрешности. Если в документацию внесена номинальная функция преобразования в виде аналитической зависимости, то необходимо учитывать данные погрешности, например при обработке результатов измерений, с целью их исключения [54, 56].
Причины возникновения погрешности Ai рассмотрены в [65]. Самую большую погрешность (до 10 %) могут внести радиальные рассогласования ИИ и ПОВ. Погрешности Аг - А4 в значительной степени зависят от конструктивного исполнения измерительного преобразователя. В процессе проектирования необходимо предусмотреть такие конструктивно-технологические и схемные технические решения, которые позволят снизить указанные погрешности. Погрешность А5 практически равна нулю, так как площадь торца жгута ООВ значительно меньше площади приемной светочувствительной площадки ПИ. Погрешность Ас зависит от типа жидкости и от конструктивных параметров ОЧЭ, в частности от радиуса Ri, который и определяет разброс точки срабатывания и дифференциал хода ВОСУЖ. Последние параметры можно значительно снизить конструктивным образом, т.е с помощью правильного выбора радиуса Rj. Погрешности Ai - А5 могут быть существенно снижены в процессе сборки сигнализатора точной юстировкой элементов конструкции.
Погрешность спектрального согласования источника и приемников излучения Аб может быть полностью исключена, если диапазон длины волны излучения ИИ соответствует диапазону спектральной чувствительности ПИ [71, 96]. Например, анализ спектральных характеристик инфракрасного светодиода ЗЛ107Б и фотодиодов ФД 256, ФД-19КК, показал, что спектральная характеристика интегральной чувствительности фотодиода ФД-19КК частично совпадает со спектром светодиода ЗЛ107Б, и коэффициент спектрального согласования составляет г(А,)«0,5 (см. приложение Б). Лучшей парой светодиоду ЗЛ107Б по коэффициенту спектрального согласования можно считать фотодиод ФД 256, спектральный диапазон чувствительности которого полностью перекрывает диапазон излучения светодиода ЗЛ107Б. В этом случае г(А,)«1 (см. приложение Б).
Мультипликативная погрешность Ьг\(Х) спектрального согласования источника и приемников излучения при изменении температуры окружающей среды в диапазоне ± 50 С может достигать 25...30 % (например, для пары светодиод ЗЛ107Б - фотодиод ФД-19КК) [80, 44]. Но она может быть существенно снижена, если использовать два одинаковых фотодиода, каждый из которых включен в один из измерительных каналов схемы и к которым подведены ООВ соответствующих измерительных каналов.
Мультипликативные погрешности 5Рии, оТ очэ о\$пи при изменении параметров окружающей среды могут достигать 30%, а в отдельных случаях 50 % от результата измерения, если не принять соответствующих мер. Но так как они носят систематический характер, поэтому могут быть исключены тем или иным способом. В литературе достаточно подробно ос вещены вопросы снижения указанных погрешностей [56, 62, 64]. Для снижения этих погрешностей используют различные схемотехнические решения: введение компенсационного канала, использование дифференциальных схем, введение дополнительных схем коррекции и т.п. Погрешности 8Кцс, 5#сп обусловленные изменением светопропус-кания ОВ при неинформативных изгибах ВОК, можно исключить использованием тех же приемов, что и для исключения вышеперечисленных мультипликативных погрешностей, если только изгибы волокон незначительны (не менее 10-и диаметров волокна). Большие изгибы ВОК вызывают существенное снижение интенсивности светового потока, поступающего в зону измерения, что снижает глубину модуляции оптического сигнала в процессе измерения. Поэтому при изготовлении и эксплуатации ВОД необходимо принять все возможные конструктивно-технологические меры для исключения неинформативных изгибов ВОК [55, 59].
Мультипликативная погрешность 5Лочэ обусловленная изменением параметров ОЧЭ при изменении параметров окружающей среды и воздействии механических факторов, может быть оценена только для конкретных типов ОЧЭ.
Таким образом, метрологический анализ амплитудных ВОСУЖ показал, что если в процессе проектирования учесть возможные причины возникновения погрешностей, то можно как в процессе проектирования, так и в процессе обработки измерительной информации существенно снизить различные составляющие погрешности измерения ВОСУЖ. Как показано в п. 3.3, введение компенсационного канала позволяет значительно снизить влияние на точность измерений неинформативных параметров внешней среды и изгибов ВОК. На рисунке 4.2 приведены конструктивная, структурная и функциональная схема сигнализатора, включающего два измерительных канала, каждый из которых в отдельности может иметь погрешности, о которых говорилось выше. На функциональной схеме ВОСУЖ с компенсационным каналом приняты следующие обозначения: Sc- чувствительность ОЧЭ; S3- чувствительность зеркала; -Кочэ #оэ - коэффициенты преобразования чувствительного и отражающего элементов соответственно; Sm чувствительность ИИ; Аповр, Киовк - коэффициенты передачи рабочего и компенсационного каналов соответственно "ИИ - ПОВ"; Коовр, і&ювк - коэффициенты передачи рабочего и компенсационного каналов соответственно "ОЧЭ - ООВ" и "ОЭ - ООВ" соответственно; 5пир5 пик - чувствительности рабочего и компенсационного приемников излучения соответственно; Ад - коэффициент преобразования делителя (см. рисунок 4.2,в) Функция преобразования будет иметь вид: Y- Рий SCS3(KUOBP Кочэ АоовР Smp/ Киовк Коэ Аоовк Япик) Ад Ди, где Y- выходная величина.
