Введение к работе
Актуальность работы. В различных отраслях науки, техники и технологии (ракетно-космическая и авиационная техника (РК и AT), нефте- и газодобывающая промышленность, нефтехимия, гражданская авиация, трубопроводный, морской и железнодорожный транспорт, системы экологического контроля, медицинское приборостроение и др.) для различных задач социального, гражданского, оборонного значения необходимо иметь информационно-измерительные системы (ИИС) и промышленно-технологические комплексы (ПТК) для измерения различных физических параметров (температуры, давления, уровня жидкостных сред, линейных и угловых перемещений и др.).
Для создания новых образцов инженерно-технических объектов (ИТО), к которым относятся, например, авиалайнеры, гражданские самолеты, ракеты-носители, стендовые комплексы, резервуары с различным топливом, емкости с жидкостными средами, водяные баки и др., необходимо создание и внедрение новых ИИС и ПТК.
Непрерывное совершенствование различных ИТО, развитие ИИС и ПТК требуют решения традиционных задач и расширения областей исследования закономерностей протекания технологических процессов в экстремальных условиях эксплуатации, что, в свою очередь, требует создания высокотехнологичных, высокоточных, надежных, малогабаритных и экономичных средств для измерения параметров физических процессов как на этапе создания, так и в процессе эксплуатации ИТО. При этом определяющим фактором достижения высоких метрологических характеристик ИИС и ПТК является применение в их составе средств измерения (датчиков) с высокими метрологическими характеристиками, в том числе уровнемеров. Поэтому при создании новых ИИС и ПТК требуется создание более совершенных средств и методов измерения уровня жидкостных сред (ИУЖС).
Наиболее востребованы средства измерения уровня жидкостных сред в РК и AT, в системах налива/слива, учета нефтепродуктов, в системах водоснабжения питьевой и технической водой и в других задачах.
Известные отечественные и зарубежные фирмы-разработчики решают задачу ИУЖС в заданных диапазонах регистрации путем применения сложных дорогостоящих средств измерения, как правило, контактного типа. Примерами таких решений являются пьезорезистивный уровнемер типа DS фирмы SEBA Hydrometric GmbH, тросиковые уровнемеры предприятия «Транснефть-автоматика», фирмы Enraf типа ATG854, фирмы Auxitrol типа 640-67, емкостные уровнемеры фирмы Whessol типа ITG-50. Эти средства измерения не отвечают возросшим требованиям по уровню метрологических характеристик, предъявляемым со стороны ИТО.
При решении данной задачи предпочтение отдается технологическим и информационно-измерительным средствам измерения уровня жидкостных сред, не требующим в процессе функционирования энергетического взаимодействия с
контролируемым объектом. Данному требованию наилучшим образом отвечают бесконтактные оптоэлектронные уровнемеры жидкостных сред (ОЭУЖС).
Анализ научно-технической информации и публикаций известных ученых в области оптической измерительной техники В. Б. Вайнберга, Л. Н. Воронцова, В. М. Гречишникова, В. Г. Жилина, Г. П. Катыса, Н. Е. Конюхова, В. Ф. Крапивина, А. Ю. Кузина, М. М. Мирошникова, Г. В. Меркишина, Т. И. Мурашкиной, В. Т. Потапова, Ю. Г. Якушенкова и др. показал, что для решения поставленной задачи необходимо применить способ регистрации информации, основанный на восприятии отраженного светового потока, несущего информацию об измеряемой физической величине. При этом возникает задача уменьшения влияния нелинейных изменений пространственных характеристик светового потока, ведущих к резкому снижению интенсивности оптического сигнала при перемещении границы раздела сред относительно рабочего торца уровнемера и соответственно к высокой погрешности линейности функции преобразования и снижению точности ИУЖС.
Существенным недостатком оптических средств измерений, в том числе уровнемеров, является зависимость мощности источников излучения (ИИ) и интегральной чувствительности и внутреннего сопротивления приемников излучения (ПИ) от температуры. Так, например, у серийно выпускаемых све-тодиодов типа ЗЛ107Б излучающая способность изменяется в интервале температур ± 50 С на 20...30 %, а у фотодиодов ФД-19КК, ФД 20-32К, КФДМ
разброс по чувствительности может достигать 10 15 %. Подобный разброс
энергетических характеристик приводит к большим температурным погрешностям (от 10 до 50 %), если не принять конструктивно-технологических мер для их снижения. При повышении или уменьшении температуры окружающей среды изменяются электрические параметры уровнемера, что приводит к возникновению температурной погрешности преобразования.
Для достижения требуемых метрологических характеристик при проектировании ОЭУЖС определяющими являются технологические вопросы, связанные с формированием определенной структуры светового потока, несущего полезную информацию. Актуальна задача совершенствования технологии проектирования, создания и изготовления новых образцов ОЭУЖС.
Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления бесконтактных оптоэлектронных уровнемеров жидкостных сред с улучшенными метрологическими характеристиками.
Научная задача, решенная в работе, - обоснование и разработка новых технологических методов, обеспечивающих существенное улучшение метрологических характеристик бесконтактных оптоэлектронных уровнемеров, реализующих амплитудно-фазовое преобразование перемещения границы раздела сред с разными коэффициентами преломления в электрический сигнал.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
- проведение анализа известных методов и средств ИУЖС;
разработка нового оптоэлектронного способа измерения уровня прозрачной жидкости;
математическое описание процесса распределения светового потока в оптическом канале ОЭУЖС, реализующем новый способ ИУЖС;
разработка математических и структурных моделей и алгоритмов преобразования сигналов в оптоэлектронных измерительных преобразователях уровня жидкости (ОЭИГГ) и амплитудно-фазовых ОЭУЖС (АФОЭУЖС);
разработка конструктивно-технологических способов снижения температурной и суммарной погрешностей АФОЭУЖС;
усовершенствование механизма линеаризации функции преобразования АФОЭУЖС;
вывод функции преобразования и определение параметров оптической системы измерительного канала ОЭУЖС;
разработка технологии юстировки приемо-передающей оптической системы ОЭИП, обеспечивающей необходимую пространственную структуру пучка, максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала, линейность функции преобразования, простоту юстировки элементов оптической системы;
разработка методики проведения экспериментальных исследований ОЭУЖС.
Предмет исследований - технологические методы улучшения метрологических характеристик оптоэлектронных уровнемеров, предназначенных для бесконтактных ИУЖС в составе информационно-измерительных систем перспективных образцов ИТО различных отраслей промышленности, реализующих амплитудно-фазовое преобразование уровня жидкостной среды в электрический сигнал.
Методы исследований. При разработке математических моделей ОЭИП и ОЭУЖС применялись основные положения геометрической оптики, методы математической физики, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу ОЭИП и ОЭУЖС применялись положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.
Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием. Основные теоретические и технологические положения и результаты подтверждены экспериментальными исследованиями реальных действующих образцов ОЭУЖС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 Разработан и экспериментально подтвержден новый способ измерения текущего значения уровня жидкостных сред, основанный на регистрации ин-
тенсивности отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на определенном расстоянии от излучающей поверхности оптической системы, светового потока, сходящегося относительно оптической оси приемной оптической системы.
-
Разработан и реализован новый технологический способ снижения температурной погрешности ОЭУЖС, основанный на применении амплитудно-фазового преобразования сигналов, введении дополнительного оптоэлектрон-ного компенсационного канала, использовании рабочих (РПИ) и компенсационных (КПИ) приемников излучения одного типа и расчете оптимального соотношения количества РПИ и КПИ, а также путем конструктивного исполнения КПИ относительно ИИ.
-
Разработан и реализован механизм линеаризации функции преобразования амплитудно-фазового ОЭУЖС, основанный на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной), в соответствии с которой изменяется рабочий сигнал на выходе измерительного преобразователя, и функции арктангенса, в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения рабочего и компенсационного сигналов.
-
Создана новая методика расчета основных параметров оптического тракта ОЭИП, учитывающая новые закономерности распределения светового потока в зоне измерения и связь диапазона измерения, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси ОЭИП и расстояния между ИИ и ПИ.
-
Созданы новые и усовершенствованы существующие способы улучшения метрологических характеристик АФОЭУЖС, основанные на:
формировании одного гармонического сигнала, несущего измерительную информацию об уровне жидкостной среды, на РПИ приемом отраженного от зеркала светового потока ИИ, а другого - на КПИ приемом смодулированного в функции измеряемого параметра светового потока того же ИИ, а также формировании отношения данных сигналов, не зависящего от влияния дестабилизирующих факторов;
реализации оптоэлектронного компенсационного канала;
-компенсации изменений сигналов, обусловленных противоположно изменяющимися мощностью ИИ и фоточувствительностью ПИ при изменении температуры окружающей среды;
- уменьшении интенсивности отраженного светового потока в начале диа
пазона измерения и его увеличении в конце диапазона измерения за счет фор
мирования сходящегося к концу диапазона измерения светового потока и сни
жения потерь отраженного светового потока.
6 Разработана блочно-модульная структурная модель амплитудно-фазового
ОЭУЖС, реализующая новую четкую технологическую последовательность
преобразования сигналов, отличительной особенностью которой является ввод
в конструкцию дополнительного компенсационного канала, обеспечивающего
снижение погрешности от изменения мощности излучения ИИ, обусловленного изменением температуры окружающей среды, колебаниями параметров питающего напряжения, временной нестабильности параметров ИИ, изменением чувствительности ПИ и др.
Практическая значимость работы:
-
Разработана и реализована новая технология исполнения АФОЭУЖС.
-
Выполненные автором в Пензенском государственном университете (ПТУ, г. Пенза) теоретические и экспериментальные исследования обеспечили решение актуальной научно-технической и технологической задачи создания новых бесконтактных ОЭУЖС с улучшенными метрологическими характеристиками.
-
Проведенные исследования обеспечили формирование банка данных для создания новых образцов ОЭУЖС с улучшенными метрологическими характеристиками, позволяют перейти к их промышленному производству и внедрению в различных отраслях науки, техники и технологии.
Научная и практическая значимость исследований также подтверждается тем, что работы в настоящее время проводятся в рамках Федеральной космической программы Роскосмоса, «Комплексной программы НИР и ОКР по созданию средств измерений, контроля и диагностики для космических аппаратов, испытательных центров наземной экспериментальной базы на период до 2010 г.» в кооперации с ПГУ, ОАО «НПО Измерительной техники» (г. Королев, Московская обл.), ФГУП «Рубин» (г. Пенза), ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза).
Реализация результатов работы. Работа над диссертацией проводилась в рамках фундаментальных отраслевых НИР и ОКР Роскосмоса (темы «Миндаль», «Арахис», «Надежность», «Контроль» и др.), Федеральной космической программы России по созданию средств измерения, контроля, диагностики параметров РК и AT и для других отраслей промышленности.
Основные результаты теоретических, технологических и экспериментальных исследований автора применены при создании ОЭУЖС с компенсационным каналом для ИУЖС в диапазонах 0...90, 0...125, 0...180, 0...250, 0...350, 0...500, 0...800, 0...1000, 0...2000 мм. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы ОЭУЖС: шифр ОЭУ-001, ОЭУ-002, внедренные на предприятии ОАО «НПО ИТ» (г. Королев, Московская обл.).
Элементы теории проектирования, материалы по расчету и проектированию ОЭУЖС использованы в НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», «Оптимизация конструктивных исполнений оптоэлектронных уровнемеров на основе формирования рационального распределения светового потока», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Теория измерений», преподаваемой студентам специальности 200100 «Приборостроение» в ПГУ.
Материалы по формализации процесса распределения мощности светового потока в пространстве ОЭИП использованы в проекте аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» по теме «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№2.1.2/937).
На защиту выносятся:
-
Технологическая последовательность преобразования оптических сигналов, обеспечивающая реализацию бесконтактного способа измерения текущего значения уровня жидкостных сред, основанного на регистрации интенсивности светового потока, сходящегося относительно оптической оси приемной оптической системы под некоторым углом, проходящего через первую среду с коэффициентом преломления, меньшим, чем коэффициент преломления второй среды, уровень которой измеряется, и отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на расчетном расстоянии от излучающей поверхности оптической системы.
-
Новый конструкторско-технологический способ снижения температурной погрешности ОЭУЖС, обусловленной изменением параметров источников и приемников излучения, основанный на применении амплитудно-фазового преобразования сигналов, введении оптоэлектронного компенсационного канала, применении РПИ и КПИ одного конструкторско-технологи-ческого типа и расчете определенного соотношения РПИ и КПИ с учетом конструктивно-технологического изменения положения КПИ относительно ИИ.
-
Математический метод и механизм линеаризации функции преобразования амплитудно-фазового ОЭУЖС, основанные на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной), в соответствии с которой изменяется рабочий сигнал на выходе измерительного преобразователя, и функции арктангенса, в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения рабочего и компенсационного сигналов.
-
Методика расчета основных взаимозависимых параметров оптического тракта ОЭИП, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне восприятия информации и связи диапазона измерения, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси ОЭИП и расстояния между ИИ и ПИ, при которых обеспечиваются улучшенные метрологические характеристики ОЭУЖС.
-
Технологические процедуры юстировки приемо-передающей оптической системы ОЭИП и технологическая последовательность настройки электрических параметров уровнемера в процессе сборки ОЭУЖС.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской
НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), НТС Росавиакосмоса, международной НТК «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе» («IT-SE 2001» «IT-SE 2002») (г.Ялта-Гурзуф, 2001, 2002 гг.), X Международном салоне «Двигатели-2008» (г. Москва, 2008 г.), I Российском инвестиционном форуме «Российским инновациям - российский капитал» и IV ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Чебоксары, 2008 г.), международной выставке «Helirussia-2008» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2008 г.), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009, 2010 гг.), международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2009, 2010 гг.), отраслевой НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы» (г. Королев, Московская обл., 2009 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 работах, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, поданы две заявки на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, шести приложений. Основная часть изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, восемь таблиц. Библиографический список содержит 103 наименования. Приложения к диссертации занимают 18 страниц.
