Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование выбора способа измерения уровня искро-взрыво-пожароопасных жидкостных сред на инженерно-технических объектах в различных отраслях промышленности 16
1.1 Анализ известных способов и средств измерения уровня жидкостных сред 16
1.2 Базовые конструктивно-технологические решения волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкостных сред 34
1.3 Базовые конструктивно-технологические решения волоконно- оптических многоточечных уровнемеров жидкостных сред 37
1.4 Базовые конструктивно-технологические решения волоконно- оптических датчиков гидростатического давления 42
Основные выводы и результаты 50
2 Математическое моделирование процессов, происходящих в оптическом тракте волоконно- оптической системы измерения уровня жидкостных сред 51
2.1 Распределение светового потока в оптическом тракте волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред 51
2.2 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе уровня с модулирующим элементом в виде границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломлен ия 64
2.3 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе гидростатического давления с модулирующим элементом в виде аттенюатора 87
Основные Выводы и результаты 93
3 Разработка модернизированных конструктивно-технологических решений волоконно-оптических систем и новых способов измерения искро-взрыво-пожароопасных жидкостных сред . 95
3.1 Методики расчета энергетических и оптимальных конструктивных параметров оптической системы измерительных преобразователей разрабатываемых волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред 95
3.1.1 Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических сигнализаторов 9 5
3.1.2 Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических датчиков гидростатического давления 104
3.1.3 Энергетический расчет искро-взрыво-безопасности разрабатываемых волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред 110
3.2 Особенности построения и принцип действия модернизированного многоточечного волоконно-оптического уровнемера жидкостных сред 120
3.3 Новые способы измерения уровня искро-взрыво-пожароопасных жидкостных сред 126
3.4 Особенности построения и принцип действия волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред, реализующих новые способы измерения уровня жидкостных сред 130
Основные выводы и результаты 136
4 Технологические основы проектирования и экспериментальные исследования волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред 137
4.1 Особенности технологической реализации экспериментальных образцов многоточечного волоконно-оптического уровнемера 137
4.2 Технологические способы и процедуры юстировки и настройки волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред 144
4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред 156
4.3.1 Методика и результаты экспериментальных исследований сигнализаторов, входящих в состав волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред. 156
4.3.2 Методика и результаты экспериментальных исследований исследования волоконно-оптических датчиков гидростатического давления, входящих в состав волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред. 169
Основные выводы и результаты . 180
Перечень принятых сокращений . 183
Библиографический список .
- Базовые конструктивно-технологические решения волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкостных сред
- Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе уровня с модулирующим элементом в виде границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломлен
- Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических сигнализаторов
- Технологические способы и процедуры юстировки и настройки волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред
Введение к работе
Актуальность работы. Безопасное измерение уровня жидкости в условиях потенциальной искро-взрыво-пожарной опасности является сложной технической задачей. Особенно остро эта проблема встала в свете событий в Японии, когда для предотвращения более разрушительных последствий аварии на АЭС в г. Фукусима было отключено электричество и, соответственно, не работал ни один «электрический» датчик. В частности, не было никакой информации об уровне охлаждающей жидкости в реакторе.
На многих инженерно-технических объектах вертолетной и авиационной техники, АЭС, нефтегазодобывающей отрасли есть необходимость измерения уровня жидкости с погрешностью, меньшей 0,1 мм, например: уровня топлива в условиях полета, в системах налива/слива топлива, уровня нефтепродуктов в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро-взрыво-пожароопасности.
Существующие датчики и системы измерения уровня топлива, основанные на таких физических принципах, как емкостный, индуктивный, поплавковый, ультразвуковой и др., требуют в конструкции изделия дополнительных систем и контуров защиты от случайного проскакивания искры, так как для преобразования измерительной информации используют электрические сигналы. Это, в свою очередь, приводит к увеличению массы авиационной, ракетной и другой техники. В вертолетной индустрии до настоящего времени используются поплавковые уровнемеры, занимающие до 10 % объема топливного бака, не позволяющие с высокой точностью выполнять измерения при его наклоне относительно линии горизонта, а самое главное – механическая преобразующая система может выйти из строя при механических воздействиях.
Стоит задача создания систем измерения уровня жидкости, в которых исключены недостатки существующих средств измерения уровня жидкости. Создание и внедрение на отечественных инженерно-технических объектах (ИТО) авиационной техники, АЭС, нефтегазодобывающей отрасли и др. волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред (ВОСИУЖС) позволит решить эту задачу.
Сложность создания таких систем заключается в необходимости обеспечения надежной конструкции, которая в реальных условиях применения должна функционировать при воздействии температуры в диапазоне от минус 60 до 85 С, вибраций до 100g, а также под большим напором при заполнении емкости жидкостью (жидким топливом). Известные конструкции волоконно-оптических средств измерения не могут работать в таких условиях, так как возможна поломка оптических волокон.
Проблемами создания ВОСИУЖС занимались такие ученые, как В. И. Бу-сурин, М. М. Бутусов, А. Г. Годнев, А. В. Гориш, В. Г. Жилин, Е. А. Зак, Н. Е. Конюхов, Я. В. Малков, Т. И. Мурашкина, В. Д. Бурков, А. Л. Патлах, А. Г. Пивкин, В. Т. Потапов, Д. И. Серебряков, Н. П. Удалов и др. Имеются
определенные научно-технические решения по построению ВОСИУЖС. В то же время в известной литературе недостаточно отражены вопросы разработки и изготовления ВОСИУЖС для инженерно-технических объектов, эксплуатируемых в искро-взрыво-пожароопасных условиях, в том числе в условиях движения (полета).
Существенным недостатком известных технических решений ВОСИУЖС, построенных на принципе нарушения условия полного внутреннего отражения светового потока, получивших наибольшее распространение, является практическая невозможность измерения текущего уровня жидкостей, в том числе непрозрачных, создающих пленки на поверхности оптических чувствительных элементов.
Решение данной проблемы должно идти по пути создания новых высокопрочных искро-взрыво-пожаробезопасных ВОСИУЖС, функционирующих с высокой точностью за счет применения новых технологических подходов, современной комплектующей базы, эффективных технических решений.
Исследование и разработка научно обоснованных технических решений ВОСИУЖС с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное социально-экономическое значение.
Целью исследования является повышение точности измерения уровня жидкостных сред на инженерно-технических объектах в условиях повышенной искро-взрыво-пожароопасности.
Научная задача - обоснование, разработка новых конструкций, технологических процедур изготовления искро-взрыво-пожаробезопасных ВОСИУЖС с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие частные задачи:
-
разработать структурные, математические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОСИУЖС;
-
математически обосновать распределение светового потока в оптической системе ВОСИУЖС, на основании которого путем численного моделирования получить оптимальные конструктивные параметры оптических систем, обеспечивающие более точное определение уровня жидкостных сред;
-
разработать методики расчета основных конструктивных и энергетических параметров оптической системы измерительных преобразователей разрабатываемых ВОСИУЖС, определить энергетические соотношения сигналов в ВОСИУЖС, обеспечивающие их искро-взрыво-пожаробезопасность;
-
теоретически обосновать новые и модернизированные технические решения физической реализации ВОСИУЖС, позволяющие при незначительной модификации конструктивного исполнения ее компонентов создавать ВОСИУЖС для измерения уровня жидкости с различными коэффициентами преломления (в том числе непрозрачных жидкостей) в разных условиях применения,
в том числе при изменении угла наклона поверхности жидкости в емкости в условиях движения (полета), на разных объектах с улучшенными метрологическими характеристиками на основе применения новых методов измерения;
-
разработать технологические процедуры настройки и юстировки оптических систем измерительных преобразователей, входящих в состав ВОСИУЖС;
-
разработать новые технологические решения ВОСИУЖС, обеспечивающие простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, технологичность конструкции системы;
-
провести экспериментальные исследования изготовленных лабораторных образцов ВОСИУЖС для подтверждения теоретических положений диссертационного исследования.
Область исследования. Задачи, решенные в диссертации, соответствуют областям исследования специальностей 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) (п. 1 – научное обоснование перспективных ВОСИУЖС, п. 6 – исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов ВОСИУЖС, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения ВОСИУЖС и технических решений) и 05.11.14 – Технология приборостроения (п. 1 – разработка научных основ технологии приборостроения при создании новых и совершенствовании существующих ВОСИУЖС).
Объект исследования – волоконно-оптические сигнализаторы уровня жидкостных сред, волоконно-оптические датчики гидростатического давления и волоконно-оптические системы уровня жидкостных сред, построенные на их основе.
Предмет исследования – комплексные научно-технические решения, технологические способы, режимы технологических процессов, обеспечивающие создание волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостей, позволяющих определять уровень прозрачных и непрозрачных для ИК-излучения жидкостей как в статических условиях, так и в условиях движения (полета).
Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОСИУЖС использовались основные положения волновой, геометрической оптики, применялись методы математической физики. При решении задач по повышению метрологических и эксплуатационных характеристик ВОСИУЖС использовались положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. При проведении метрологического анализа применялась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей. При осуществлении экспериментальных исследований использовались теория измерений, теория планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.
Достоверность результатов, изложенных в работе, подтверждается непротиворечивостью выводов законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим
моделированием, экспериментальными исследованиями, а также созданием и испытаниями действующих лабораторных образцов ВОСИУЖС. Новизна научных результатов заключается в следующем:
-
Модернизированный искро-взрыво-пожаробезопасный многоточечный волоконно-оптический уровнемер жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, отличается наличием нескольких оптических чувствительных элементов, оптические оси которых смещены относительно друг друга на требуемый уровень дискретности и перпендикулярны продольной оси несущей трубы малого размера, в виде прозрачных стержней с шаровидным сегментом, контактирующих с границей раздела сред «газ-жидкость», что обеспечивает снижение погрешности вариации при изменении направления движения границы раздела сред.
-
Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения прозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред отличается тем, что содержит три и более многоточечных волоконно-оптических уровнемера жидкостных сред, что обеспечивает снижение дополнительной погрешности измерения в условиях движения за счет формирования плоскости поверхности жидкости, расположенной под расчетным углом к горизонту, по трем и более точкам, в которых осуществляется контакт трех (и более) оптических чувствительных элементов разных многоточечных волоконно-оптических уровнемеров, смещенных относительно друг друга на требуемый уровень дискретности, с границей раздела сред «газ-жидкость».
-
Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня прозрачных и непрозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред в больших емкостях и в условиях движения отличается наличием в своем составе калибровочных волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости, оптические чувствительные элементы взаимодействуют с границей сред «газ-жидкость», автокалибровочных волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкостных сред, упругие элементы которых контактируют с границей сред «газ-жидкость» и выполнены в виде мембраны или сильфона, и волоконно-оптических датчиков гидростатического давления аттенюаторно-го типа. Количество сигнализаторов и датчиков гидростатического давления соответствует количеству секторов измерения по высоте емкости.
Деление высоты емкости на сектора позволяет уменьшить накопление систематической составляющей погрешности измерения за счет автокалибровки системы в процессе измерения.
4 Способы и технологические процедуры изготовления новых волоконно-
оптических систем измерения уровня жидкостных сред отличаются тем, что:
– процесс сборки волоконно-оптического кабеля унифицирован для любой комплектации системы;
– процедуры настройки и юстировки сигнализаторов и датчиков давления осуществляются для каждого сектора измерения перед окончательной сборкой системы;
– окончательная сборка системы осуществляется последовательным неразъемным соединением секций снизу вверх, что обеспечивает простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, высокую технологичность конструкции системы, достижение улучшенных метрологических характеристик.
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в научно-техническом центре «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», и способствует решению актуальных научно-технических задач создания новых ВОСИУЖС с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их на изделиях авиационной и ракетно-космической техники.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание лабораторных образцов новых ВОСИУЖС позволяют перейти к их промышленному производству и внедрению.
Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2011)» (НИР «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№ 2.1.2/937)), а также в рамках гранта по поддержке ведущей научной школы РФ «Волоконно-оптическое приборостроение» (НШ-681.2014.10, соглашение от 03.02.2014 № 14Z57.14.681-НШ, спецтема).
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований применены при разработке (в соавторстве) конструкторской и технологической документации лабораторного образца ВОСИУЖС: шифр ПГУ-ВОУ01-001.
Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОСИУЖС использованы в НИР «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», а также в лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические приборы и системы» на кафедре «Приборостроение» ПГУ.
Имеются акты внедрения ЗАО «РУСПРОМ», г. Москва, ОАО «НПК “Системы прецизионного приборостроения”», г. Москва, НТЦ «Нанотех-нологии волоконно-оптических систем», г. Пенза.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной выставке «Helirussia-2011» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2011), международных научно-технических симпозиумах «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010–2014), VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов, 2011), IV Российском форуме «Российским инновациям – российский капитал», IХ Ярмарке бизнес-ангелов и инновато-
ров (г. Оренбург, 2011, проект «Волоконно-оптические датчики физических величин для волоконно-оптических информационно-измерительных систем» отмечен дипломом и серебряной медалью), I Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах» (г. Ульяновск, 2011), III Международном межотраслевом молодежном научно-техническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики–2011» (Москва, ВВЦ, 2011); XV Международном салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД-2012» (г. Москва, 2012), молодежных конкурсах инновационных проектов «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (г. Звездный, 2011, 2012, проект «Волоконно-оптические датчики физических величин для волоконно-оптических информационно-измерительных систем» отмечен дипломом победителя конкурса), всероссийских научно-технических конференциях «Методики, техника и аппаратура внешних и внутренних испытаний “ИСПЫТАНИЯ-2011”» и «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении “СВЕТ-2013”» (г. Пенза, 2011, 2013).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 25 работах, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, библиографического списка, шести приложений. Основная часть изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 125 наименований. Приложения к диссертации занимают 27 страниц.
На защиту выносятся:
-
модернизированный искро-взрыво-пожаробезопасный многоточечный волоконно-оптический уровнемер жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, содержащий несколько оптических чувствительных элементов, оптические оси которых перпендикулярны продольной оси несущей трубы. Оптические чувствительные элементы смещены относительно друг друга на требуемый уровень дискретности, в виде прозрачных стержней с шаровидным сегментом, контактирующих с границей раздела сред «газ-жидкость»;
-
искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, содержащая три и более многоточечных волоконно-оптических уровнемера жидкости, обеспечивающая снижение дополнительной погрешности измерения в условиях движения за счет формирования плоскости поверхности жидкости, расположенной под расчетным углом к горизонту, по трем и более точкам, в которых осуществляется контакт трех (и более) оптических чувствительных элементов разных многоточечных волоконно-оптических уровнемеров, смещенных относительно друг друга на требуемый уровень дискретности, с границей раздела сред «газ-жидкость»;
-
искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня прозрачных и непрозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред в больших емкостях и в условиях движения, содержащая калибровочные и автокалибровочные волоконно-оптические сигнализаторы, датчики гидростатического давления. Их количество соответствует числу секторов измерения, на которые поделена по высоте емкость;
-
способы и технологические процедуры изготовления модернизированных многоточечных волоконно-оптических уровнемеров, обеспечивающие простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, технологичность конструкции системы, достижение требуемых метрологических характеристик.
Базовые конструктивно-технологические решения волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкостных сред
В работе [73] описан волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкостных сред (ВОС), который частично решает поставленную задачу, в котором исключены перечисленные недостатки (рисунок 1.8).
ВОС содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения 1, например полупроводниковый излучающий диод, подводящее 2 и отводящие 3 оптические волокна, чувствительный элемент 4, корпус 5, состоящий из двух частей 6 и 7, приемник излучения 8, например фотодиод. Цилиндрическая часть чувствительного элемента 4 закреплена в части 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 9 с коэффициентом преломления п2 «В.СР, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение большее или равное расчетного радиуса R.
Подводящее оптическое волокно 2 и отводящие оптические волокна 3 собраны в пучок и закреплены в части 7 корпуса 5 с помощью клея 10, обладающего большой упругостью.
Части 6 и 7 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 11, при этом центр торца подводящего оптического волокна 2 должен находится на одной оси с центром торца чувствительного элемента 4.
Оптический чувствительный элемент 4 (ОЧЭ) выполнен в виде оптически прозрачного стержня круглого сечения диаметром D, один торец которого, соприкасающийся с жидкостью, выполнен в виде шарового сегмента из материала, для которого выполняется условие n0 n1 n2, где n0, n1, n2 - показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно (рисунок 1.9). ОЧЭ может быть изготовлен из кварцевого стекла. Радиус шарового сегмента однозначно связан с углом ф ввода светового потока в стержень и углами аир, под которым он переотражается от границы раздела "ОЧЭ -внешняя среда”.
Световой поток по ОЧЭ распространяется таким образом, что в зоне его контакта с воздухом выполняется условие ПВО, а при контакте с жидкостной средой - нарушается, что вызывает выход части светового потока из ОЧЭ. Для того чтобы относительный перепад Q интенсивности светового потока был максимальным, угол ввода излучения в ОЧЭ выбирается в таких пределах, чтобы при контакте ОЧЭ с воздухом условие ПВО выполнялось, а при контакте с жидкостной средой - нарушалось.
Следует отметить, что технология изготовления ОЧЭ и сигнализатора достаточно проста. Для изготовления ОЧЭ берутся кварцевые заготовки - стержни расчетным диаметром. Стержень требуемой длины с одного торца с помощью газовой горелки оплавляется так, чтобы сформировался шаровой сегмент расчетного радиуса, а с другого торца формируется плоскость, перпендикулярная оптической оси.
Высокой точности при формировании поверхности ОЧЭ не требуется. Поэтому специальная оснастка для изготовления ОЧЭ не нужна. Соответственно, стоимость сигнализатора значительно ниже аналогичных по функциональному назначению датчиков. Недостатками данного сигнализатора является отсутствие возможности измерять несколько значений уровня жидкости. В тоже время, данное техническое решение с успехом может быть использовано при решении поставленных задач при определенной модернизации для разрабатываемой системы измерения уровня жидкости, что выполнено в рамках данных диссертационных исследований.
Для измерения несколько значений уровня жидкостных сред в работе [69] предложена конструкция многоточечного волоконно-оптического уровнемера (МВОУ) (рисунок 1.10).
Волоконно-оптический уровнемер содержит источники излучения 1, например полупроводниковые светодиоды, подводящие 2 и отводящие 3 оптические волокна, оптические стержни 4, Г-образные корпуса 5, состоящие из трех частей: полых трубок 6, втулок 7 со сквозным внутренним отверстием, наконечников 8 в виде конуса с цилиндрическим сквозным отверстием, трубу 9, заглушку 10, приемники излучения 11, например фотодиоды. С источниками излучения состыкованы подводящие оптические волокна, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости. Стержни 4 имеют круглое сечение и выполнены с шаровидными сегментами на рабочем торце из оптически прозрачного материала, например, из кварцевого стекла, для которого
39
оптическое волокно 2 и отводящее оптическое волокно 3 закреплены во втулке 7 корпуса 5 с помощью клея 13, обладающего большой упругостью.
Части 6, 7, 8 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 14, при этом центры торцов подводящего оптического волокна 2 и отводящего оптического волокна 3 смещены относительно центра торца стержня 4 на значение равное (dов/2 …1,5 dов/2). Количество корпусов соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости. Труба 9 изготавливается длиною не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости. В трубе просверлены сквозные отверстия так, чтобы их оси были перпендикулярны продольной оси трубы. Например, отверстия выполнены равномерно по спирали с равномерным шагом, соответствующим расстоянию между точками съема информации.
Количество отверстий соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости. Корпуса 5 крепятся к трубе 9 с помощью сварки 15 так, чтобы отверстия в верхней части корпуса 5 были совмещены с отверстиями в трубе 9. Герметизация трубы осуществляется с помощью заглушки 10, которая крепится к трубе 9 с помощью сварки 16. Внутренняя полость 17 трубы 9 заполняется герметиком 18 в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т.п.
Отводящие оптические волокна 3, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости, соединены с приемниками излучения 11. Оптические волокна 2 и 3 проходят внутри трубы 9 и через отверстия в трубе 9 протянуты к приемному торцу стержня 4.
Один измерительный канал волоконно-оптического уровнемера работает следующим образом.
Излучение источника излучения 1 направляется по подводящему оптическому волокну 2 к стержню 4. Поток излучения, излучаемый торцом подводящего оптического волокна 2, падает на входной торец стержня 4, преломляется и распространяется по нему путем переотражения от цилиндрической поверхности до шарового сегмента. При отсутствии контакта шарового сегмента стержня 4 с жидкостью лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения отражаются от поверхности стрежня и возвращаются обратно к входному торцу стержня 4, преломляются и выходят из стержня 4, падая на приемный торец отводящего оптического волокна 3. По отводящему оптическому волокну 3 поток излучения распространяется до приемника излучения 11, где происходит его преобразование в электрический сигнал. При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения, и большая часть излучения выходит из стержня, оставшаяся меньшая часть по отводящему оптическому волокну 3 распространяется до приемника излучения 11. Таким образом, наличию жидкости в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения приемника излучения 11, отсутствию жидкости – низкий уровень напряжения.
Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе уровня с модулирующим элементом в виде границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломлен
Базовым технологическим узлом волоконно-оптического сигнализатора (ВОC) является волоконно-оптический преобразователь уровня (ВОПУ), представляющий собой конструктивно-технологическую совокупность определенным образом расположенных относительно друг друга подводящих и отводящих оптических волокон и оптического чувствительного элемента (ОЧЭ).
В процессе проектирования ВОПУ стоит задача определения оптимальных конструктивно-технологических параметров оптической системы (для ВОПУ (см. рисунок 3.5) – это расстояния от ОВ до цилиндрического стержня, размеры стержня: диаметр, длина, при которых достигаются выполнение и нарушение условия полного внутреннего отражения (ПВО). Для этого рассматриваются вопросы распределения мощности светового потока в пространстве ВОУ.
При проектировании ВОС возникают проблемы, связанные с потерями светового потока в местах соединения ОЧЭ с торцами ПОВ и ООВ, а также в самом ОЧЭ, что приводит к низким метрологическим характеристикам. При изготовлении ОЧЭ встает вопрос в правильности выбора конструктивных параметров: длины L и радиуса R оптического чувствительного элемента.
Для достижения высоких метрологических характеристик необходимо, чтобы соотношение значений конструктивных параметров ОЧЭ обеспечивало максимальный перепад оптического сигнала (в случае контакта с жидкостью и отсутствии контакта), минимальные информативные потери в зоне измерения и попадание лучей от подводящего оптического волокна в отводящие оптические волокна при отсутствии контакта ОЧЭ с жидкостью. Длину L оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) - стержня определим с помощью следующего выражения, согласно геометрическим построениям, приведенным на рисунке 4.6 [65]. где ли - апертурный угол оптического волокна (ОВ), щ - показатель преломления ОЧЭ, щ - показатель преломления среды (воздуха), п0=\, п - показатель преломления исследуемой жидкости, dc - диаметр сердцевины ОВ, d0 - диаметр оболочки ОВ. R - радиус шарового сегмента ОЧЭ, обращенного в сторону измеряемых сред,
Отношение диаметров оптического волокна должно быть dо/dс = 2,5. Результаты расчетов по формуле (2.23) с учетом условия (2.24) для жидкостей с коэффициентом преломления п 1,25 показали, что максимальный перепад сигнала достигается, если световой поток переотражается от шарового сегмента ОЧЭ под углом а, равным
При отсутствии контакта ОЧЭ с жидкостью при падении луча под углом а на шаровой сегмент происходит полное внутреннее отражение, и луч отражается от шарового сегмента под углом
Рассмотрим оптическую систему «ПОВ - ОЧЭ - ООВ» и проследим, как влияет каждый параметр формул (2.21) и (2.22) на характер распространения светового потока в данной оптической системе.
Определив конструктивные параметры ОЧЭ, а именно длину L из выражения (2.20) и радиус шарового сегмента R, удовлетворяющего условию (2.21), располагаем торец ОЧЭ на расстоянии Xi от общего торца ОВ (рисунок 2.12). Расстояние Xi должно удовлетворять условию Xi , где - дистанция формирования светового пучка. В. С Р
Лучи 1, 2 и 3, 4, которые выходят из сердцевины ПОВ из точек А, А\ под углом NA, проходят расстояние Xi и падают на плоский торец ОЧЭ под углом NA. От конструктивного параметра Xi зависит, какое количество световой энергии попадет в ОЧЭ. При этом стремятся, чтобы распределение светового потока на входном торце ОЧЭ было равномерным, что в дальнейшем упрощает математические расчеты. Это возможно в случае Xi , где дистанция формирования светового пучка зависит от параметров dо, dс. Следует учитывать, что при Xi распределение светового потока на торце ОЧЭ неравномерное.
Лучи 1, 2 и 3, 4 преломляются и распространяются по ОЧЭ под углом Ф, который определяется с помощью закона Снеллиуса и равен
Угол ф зависит от конструктивных параметров По, пь NA В зависимости от длины L, радиуса R, расстояния Xi , диаметров ОВ dс, dо, лучи 1, 2 и 3, 4 могут сразу падать на сферическую поверхность под углами: луч 1 под углом ось луч 2 под углом ос2. Лучи 3, 4 проходят такой же путь, как и лучи 1, 2 соответственно (из-за симметрии относительно оси ООi), следовательно луч 3 падает на сферическую поверхность под углом аь луч 4 под углом а2 (рисунок 2.13).
После одного или нескольких отражений лучей 1, 2 и 3, 4 под углом р (рисунок 2.14, 2.15) от цилиндрической поверхности ОЧЭ падают на сферическую поверхность под углами: лучи 1, 3 - аь лучи 2, 4 - а2.
Возможны варианты прохождения светового потока в зависимости от длины L, радиуса R, расстояния Xi , диаметров dс, dо\ 1) когда один из лучей падает на цилиндрическую поверхность под углом р, затем на сферическую, а другой сразу падает на сферическую поверхность (рисунок 2.16).
2) когда лучи 1, 2 и 3, 4 падают сначала на цилиндрическую поверхность под углом р, потом один из лучей падает на сферическую поверхность, а другой лишь после отражения от цилиндрической поверхности под углом р (рисунок 2.17).
После переотражения от сферической поверхности под углами аь а2 лучи 1, 2 и 3, 4 возвращаются обратно, т.е. могут после отражения от сферической поверхности в зависимости от длины L, радиуса R, расстояния Xi, диаметров ОВ dс, dо сразу падать на плоский торец стержня (рисунок 2.18), а могут и после одного отражения от цилиндрической поверхности под углами: лучи 1, 3 под углом рь лучи 2, 4 под углом р2, (рисунок 2.19), или нескольких отражений от цилиндрической поверхности (рисунок 2.20), затем падают на плоский торец ОЧЭ при этом количество отражений под углами Рь р2 может быть не одинаковым.
Возможны варианты:
1) один луч сразу после сферической поверхности падает на плоский торец ОЧЭ, а другой лишь после отражения под углом рг или р2 (рисунок 2.21).
2) когда лучи 1, 2, 3, 4 падают сначала на цилиндрическую поверхность под углами рь р2, потом один из лучей падает на плоский торец ОЧЭ, а другой после нескольких отражений от цилиндрической поверхности ОЧЭ под углом Pl или р2 (рисунок 2.22).
Лучи 1, 2, 3, 4, достигшие плоского торца ОЧЭ, падают на него под углами: луч 1, 3 под углом \/ь луч 2, 4 под углом \/2 (рисунок 2.23). Лучи преломляются и распространяются под углами
Преломленные лучи проходят расстояние Xi до плоскости Н и падают на нее, образуя в этой плоскости зону освещенности. Зона освещенности определяется из геометрических построений, приведенных на рисунке 2.23. После определения зоны освещенности определяется площадь Sпр , образованная путем пересечения диаметра сердцевины отводящего оптического волокна dc с освещенной зоной кольца радиусом Rвнеш с отверстием Rвнутр (сечение А-А рисунок 2.12). Ниже на рисунках 2.23, 2.24 представлены два примера прохождения лучей по оптической системе «ПОВ – ОЧЭ - ООВ» при различных параметрах n, n0, n1, NA, L, R, Xi, d0, dc.
Проследив характер поведения светового потока в оптической системе «ПОВ - ОЧЭ - ООВ» в зависимости от конструктивных параметров (2.20) -(2.23) можно сделать вывод, что для обеспечения нужного значения угла падения , удовлетворяющего выражению (2.25), при котором выполняется и нарушается условие полного внутреннего отражения при отсутствии контакта с жидкостью и при контакте с жидкостью соответственно, рассчитывают конструктивные параметры L, R по формулам (2.20) и (2.21). Параметры L, R, отвечающие условию (2.23), обеспечивают максимальный перепад оптического сигнала и минимальные информативные потери в зоне измерения.
Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических сигнализаторов
Подключение волоконно-оптических измерительных преобразователей (ВОП) и их взаимодействие с остальными функциональными элементами ВОСИУЖС должно осуществляться через стандартный интерфейс, представляющий собой совокупность унифицированных аппаратурных и конструктивных средств, обеспечивающих информационную, параметрическую и конструктивную совместимость элементов ВОСИУЖС. Поэтому необходимым условием внедрения ВОСИУЖС является определение входных и выходных параметров ВОП. Для этого необходимо определить, какие потери оптической мощности вносят отдельные компоненты ВОСИУЖС. На рисунке 3.11 приведена обобщенная структурная схема участка ВОСИУЖС. В состав элементной базы ВОСИУЖС входят следующие основные компоненты: - волоконно-оптические измерительные преобразователи; - оптические волокна и волоконно-оптические кабели; - волоконно-оптические разъемы; - волоконно-оптические разветвители; - волоконно-оптические переключатели; - источники и приемники излучения. Основной вклад в энергетические потери системы вносят: - узлы ввода оптического излучения ИИ в ОВ и из ОВ в ПИ; - неоднородности в точках деления-объединения (сварки, склейки) оптической мощности в разветвителях и переключателях; - затухание излучения в световодах в оптическом кабеле; - потери на стыках “разъем-разъем” в оптических разъемах; информативные и неинформативные потери оптической мощности в измерительных преобразователях.
Очевидно, что для определения входных и выходных параметров ВОП необходимо знать минимально необходимую вводимую в систему мощность, которая определяется мощностью ИИ, порогом чувствительности ПИ, потерями в узлах соединения ИИ и ПИ с ОВ, потерями в самом волокне, соединителях и разветвителях (переключателях) и других элементах оптической схемы (если таковые имеются). При этом на первый план выдвигаются проблемные вопросы выбора элементной базы отдельных структурных единиц ВОИИС, перечисленных выше.
Ввиду того, что предметом исследований данной диссертационной работы являются параметры ВОП для ВОСИУЖС, и она не рассчитана на детальное рассмотрение структуры и элементной базы ВОСИУЖС, не имеющей непосредственного влияния на принципы построения ВОП и их параметры, то исследования по выбору таких структурных единиц как оптические соединители, разветвители, переключатели, мультиплексоры и демультиплексоры автором не проводились. Но при проведении энергетического расчета системы, необходимого для определения входных и выходных параметров ВОП, учитывались оптические потери, вносимые данными элементами. Значения указанных потерь брались из литературных источников и в соответствии с экспертными оценками специалистов в соответствующих областях техники [112, 83].
Необходимо только отметить, что с целью стандартизации и унификации технических решений ВОП и ВОСИУЖС в целом целесообразно на объекте объединять в ВОСИУЖС преобразователи одного типа или использовать звездообразную структуру ВОСИУЖС, когда каждая ветвь системы представляет собой совокупность ВОП одного типа, а в центре системы находятся коммуникационные элементы, обеспечивающие связь ВОП с системой обработки информации [84].
В исследуемых ВОСИУЖС используются многомодовые волокна, так как элементная база ВОСИУЖС на основе многомодовых ОВ существенно дешевле, достаточно освоена в производстве и получила практическую апробацию в реальных сетях. Ввиду того, что на объектах КАТ надежность системы и, соответственно, всех ее компонентов является важнейшим требованием, в качестве ИИ в многомодовых ВОИИС используются светоизлучающие диоды. Выбор ПИ необходимо проводился из условия максимального согласования его спектральной характеристики со спектральной характеристикой ИИ. Кроме этого, ПИ, используемые в ВОСИУЖС, должны отвечать следующим требованиям, предъявляемым со стороны ВОСИУЖС: они должны 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, которые в наибольшей степени удовлетворяют и всем другим вышеперечисленным требованиям [96].
Очевидно, что максимальные потери мощности излучения происходят в ВОСИУЖС с ВОП отражательного типа ввиду значительных информативных и неинформативных потерь в зоне измерения. Поэтому в качестве примера рассмотрен участок ВОСИУЖС с временным мультиплексированием и ВОП отражательного типа, расчетная схема которой представлена на рисунке 3.12.
Сигнал от ИИ до ИП проходит оптический разъем ОР1, представляющий собой стык “розетка-вилка” (первый узел юстировки), причем в розетке закреплен излучающий торец ИИ, вилкой оконцовано оптическое волокно ОВ1. Разъем ОР1 вносит потери г1, оптическое волокно
ОВ1 - Г)2.
Технологические способы и процедуры юстировки и настройки волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред
На стадиях экспериментальных исследований или экспериментальной отработки конструкции ВОИСУЖС важно определить оптимальные конструктивные параметры оптических систем калибровочных (ВОС) и автокалибровочных (АВОС) волоконно-оптических сигнализаторов, обеспечивающих максимальный перепад сигналов при контакте оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) сигнализаторов с границей сред «газ-жидкость», а также волоконно-оптических датчиков гидростатического давления (ВОДГД), обеспечивающих высокие чувствительность преобразования, глубину модуляции оптического сигнала и линейность функции преобразования.
Методика и результаты экспериментальных исследований сигнализаторов, входящих в состав волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред
Для подтверждения вышеизложенных теоретических положений по определению конструктивных параметров калибровочных и автокалибровочных ВОС, а также по определению алгоритма обработки оптического сигнала была разработана измерительная установка, схема которой приведена на рисунке 4.12.
Лабораторный макет измерительной установки для снятия экспериментальной зависимости Ф/Ф0=ХА«) или после преобразования в унифицированном блоке преобразования информации (УБПИ) U = ДА«) состоит из ВОС 1, включающего волоконно-оптический кабель (ВОК) 2, оптический чувствительный элемент (ОЧЭ) 4, согласующее устройство (СУ) 5, источник излучения (ИИ) типа 3Л107Б, приемника излучения (ПИ) типа ФД256, УБПИ 6, емкости с жидкостью 10, вольтметра 11, блока питания (БП) 12 и соединительного электрического кабеля К1.
В сигнализаторе использованы оптически волокна с кварцевой сердцевиной диаметром dс = 200 мкм и внешним диаметром dо=500 мкм, ОЧЭ с конструктивными размерами L = 4,1 мм, R1= 0,75 мм. Расстояние между ОЧЭ и общим торцом ОВ Хi может принимать значения от 0,01 до 0,05 мм.
Торцы оптических волокон сигнализатора соединены конструктивным образом с ИИ 3Л107Б и ПИ ФД 256 таким образом, чтобы торцы ПОВ находились напротив ИИ, а ООВ - напротив ПИ. Измерительная установка работает следующим образом. На УБПИ с помощью кабеля К1 подается напряжение питания (12±0,05)В от блока питания БП, последний в свою очередь питается от сети переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц (см. рисунок 4.12). УБПИ запитывает ИИ 3Л107Б.
Часть оптического излучения с источника излучения ИИ -светодиода 3Л107Б по ПОВ попадает в ОЧЭ и путем переотражения проходит по нему. Возвращенный световой поток (в случае отсутствия контакта ОЧЭ с жидкостью) с выхода ОЧЭ попадает в ООВ, по которым оптическое излучение поступает на приемник излучения - фотодиод ФД 256. Электрический сигнал (амплитуда) с фотодиода ФД 256 поступает на вход УБПИ, с выхода которого посредством кабеля К1 поступает на вход вольтметра, по значению напряжения судят о наличии или отсутствии уровня жидкости.
При контроле работоспособности ВОС одними из проверяемых параметров являются разброс положения точки срабатывания и дифференциал хода [16]. Для этого необходима установка, позволяющая с минимальной погрешностью воспроизводить (имитировать) изменение уровня жидкости.
Установка для определения разброса положения точки срабатывания и дифференциала хода Точность определения разброса точки срабатывания и дифференциала хода ВОСУЖ, влияет на точность определения уровня жидкости, а в дальнейшем и на эффективность работы ИИС. На рисунке 4.13 предоставлен общий вид одного из вариантов установки для определения перечисленных параметров [53].
Установка состоит из устройства для воспроизведения перемещений 1, установочной рамки, состоящей из штока 3, верхней планки 4, трех стоек 5 и нижней планки 6, чашки 7. В качестве измерительного прибора перемещений используется индикатор ИЧ 25, цена деления его шкалы 0,01 мм. Принцип работы установки основан на перемещении установочной рамки с сигнализатором относительно поверхности жидкости, налитой в чашку 7. ОЧЭ сигнализатора крепится по резьбе на нижней планке 6. Перемещение осуществляется за счет резьбовой передачи между гайкой 8 и штоком 9 (см. рисунок 4.7). При вращении гайки 8 происходит опускание и поднимание штока 3. Точность воспроизведения перемещений в установке обеспечивается конструкцией устройства 1.
Эксперимент проводился в следующей последовательности. С помощью схемы, приведенной на рисунке 4.12, определялись экспериментальные зависимости U = f(An) - напряжение на выходе УБПИ лабораторных образцов КВОС и АВОС.
Имитация изменения уровня жидкости проводилась путем перемещения ОЧЭ ВОС, жестко закрепленного на подвижной части стойки, относительно жидкости вдоль оси Х с шагом 1 мкм с помощью микровинта (см. рисунок 4.7). С индикатора вольтметра снимались значения выходного напряжения в моменты касания ОЧЭ жидкости и при отсутствии касания.
