Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Поточный нефелометр как средство контроля концентрации жидких дисперсных систем в составе систем управления технологическими процессами .12
1.1. Измерение концентрации ЖДС 12
1.1.1. Необходимость измерений концентрации ЖДС .12
1.1.2. Классификация известных методов измерения концентрации ЖДС 13
1.1.3. Фотометрические методы .16
1.2. Датчик мутности в составе систем управления технологическими процессами 21
1.3. Проблемы эксплуатации нефелометрических и турбидиметрических датчиков и возможные пути их решения 28
1.3.1. Типичные проблемы, возникающие при эксплуатации мутномеров .28
1.3.2. Возможные пути повышения метрологической надежности мутномеров 29
1.3.3. Бесконтактные струйные нефелометры 31
1.4. Современные промышленные бесконтактные струйные нефелометры 36
1.4.1. Комплекс - анализатор мутности DWA-3000A-TBD .36
1.4.2. Мутномер Aquascat фирмы Sigrist Photometer 38
1.4.3. Комплекс GLI International Steady Stream 4 40
1.4.4. Нефелометр FilterTrak фирмы HACH 41
Результаты и выводы по главе 1. Постановка задачи 44
Глава 2. Технические решения по усовершенствованию бесконтактных струйных нефелометрических датчиков 46
2.1. Особенности эксплуатации бесконтактных струйных нефелометрических датчиков .46
2.1.1. Установка датчиков 46
2.1.2. Деаэрация 48
2.1.3. Допустимый расход жидкости и обеспечение ламинарного течения струи 48
2.1.4. Проблемы эксплуатации в зимних условиях 51
2.2. Конструкция нефелометрического датчика с кольцевом фотодетектором, системой термостатирования и
карданным подвесом .51
2.3. Измерительный тракт нефелометрического датчика. Калибровочная характеристика 55
2.4. Алгоритм работы нефелометрического датчика 61
Результаты и выводы по главе 2 65
Глава 3. Теоретические исследования возможностей нейтрализации влияния девиации струи в бесконтактном струйном нефелометре 66
3.1. Общие замечания о влиянии отклонений струи в струйных датчиках мутности на результаты измерений 66
3.2. Математическая модель зависимости выходного сигнала кольцевого фотодетектора от параметров отклонения струи 71
3.3. Методы нейтрализации влияния девиаций струи на результат измерений 75
3.3.1. Метод прямого суммирования сигналов фотоприемников (метод 1) 76
3.3.2. Метод с дополнительным нелинейным преобразованием сигналов фотоприемников перед их суммированием (метод 2) 81
3.3.3. Метод с вычислением поправочного коэффициента (метод 3) 86
3.3.3.1. Описание метода 86
3.3.3.2. Расчет погрешностей метода с вычислением поправочного коэффициента 92
3.3.3.3. Использование метода с вычислением поправочного коэффициента для кольцевого фотодетектора с восемью фотоприемниками 94
3.3.4. Сравнение эффективности методов нейтрализации влияния девиаций струи 98
Результаты и выводы по главе 3 100
Глава 4. Экспериментальное исследование бесконтактного струйного нефелометра с многоэлементным кольцевым фотодетектором 101
4.1. Цели проведения экспериментов 101
4.2. Описание лабораторной установки 101
4.3. Описание проведенных опытов 108
4.3.1. Подготовка к опытам. Измерение показаний лабораторной установки 108
4.3.2. Анализ результатов опытов. Сравнение с теоретическими данными 111
4.3.3. Проверка адекватности математической модели 118
4.4. Оценка результатов практического применения метода с вычислением поправочного коэффициента 122
4.5. Оценка результатов практического применения метода с дополнительным нелинейным преобразованием (квадратным корнем) 130
4.6. Разработка принципиальной схемы нефелометрического датчика .133
4.7. Калибровочная характеристика нефелометрического датчика 135
4.8. Оценка дополнительной погрешностей измерения мутности 138
4.9. Расчет динамической погрешности устройства 142
Результаты и выводы по главе 4 146
Заключение 149
Список сокращений 148
Список литературы 149
- Проблемы эксплуатации нефелометрических и турбидиметрических датчиков и возможные пути их решения
- Проблемы эксплуатации в зимних условиях
- Метод с дополнительным нелинейным преобразованием сигналов фотоприемников перед их суммированием (метод 2)
- Оценка результатов практического применения метода с вычислением поправочного коэффициента
Введение к работе
Актуальность темы. Жидкие дисперсные среды (ЖДС) – жидкости, содержащие в своей непрерывной фазе определенное количество взвешенных нерастворимых частиц. Во многих практических задачах технологического контроля и управления часто требуется определять концентрацию дисперсной фазы ЖДС. Примерами таких ЖДС, качество которых необходимо контролировать, являются: питьевая вода, сточные воды предприятий, обратная вода, закачиваемая в пласты на нефтепромыслах, авиационное топливо, различные эмульсии и суспензии, применяемые в химической, фармацевтической и пищевой промышленности и др. Концентрацию дисперсной фазы в ЖДС можно определить косвенно по оптической характеристике среды – мутности. Датчики и приборы, с помощью которых можно оценивать данный параметр среды, широко применяются в системах управления и контроля самых различных процессов. В разные годы вклад в изучение проблем измерения мутности и концентрации взвешенных частиц внесли многие исследователи: Шифрин К.С., Кулаков М.В., Беляков В.Л., Кленин В.И., Фетисов В.С., Clayton W., Ishimaru A., Rogner A. и другие.
На сегодняшний день широко распространены лабораторные турбидиметры (мутномеры). Однако промышленность нуждается в различных турбидиметрических датчиках, способных непрерывно работать в промышленных условиях и пропускать через себя большое количество жидкости. Такие датчики работают в жестких условиях эксплуатации: контактные оптические системы мутномеров выходят из строя вследствие налипания на них дисперсных отложений. При этом таким датчикам необходимо постоянное обслуживание, что, во-первых, увеличивает затраты на их содержание, во-вторых, не всегда оказывается эффективным. Поэтому в настоящее время на мировом рынке начали появляться поточные мутномеры с использованием бесконтактных методов, что позволяет почти полностью решить проблему длительной работы мутномеров без обслуживания.
Одним из перспективных бесконтактных методов является бесконтактный оптический метод с формированием струи жидкости. В датчиках, работающих по данному принципу, струя подсвечивается излучателем, а для оценки мутности жидкости измеряют рассеиваемый дисперсными частицами струи свет (нефелометрическая схема измерения).
Бесконтактные струйные нефелометры пока используются редко из-за недостатков существующих ныне конструкций и методов обработки получаемой информации. К другим недостаткам таких устройств относятся отклонения струи при перекосе или неровной установке датчика и микроотклонения (девиации) струи, например, из-за нестабильности расхода жидкости, что приводит к невысокой точности измерений. Несмотря на это, именно бесконтактные нефелометры имеют большой потенциал повышения точности полевых измерений при низких затратах на обслуживание.
Следовательно, усовершенствование конструкций и методов обработки сигналов бесконтактных струйных нефелометров является актуальной задачей, решение которой позволит улучшить состояние дел в области полевых измерений параметров ЖДС.
Одним из перспективных решений в области улучшения метрологической надежности нефелометрических датчиков является применение многоэлементных кольцевых фотодетекторов, которые были предложены несколько лет назад. Однако на практике они еще не используются, так как практически не изучены ни в теоретическом, ни в практическом плане. Отсутствуют математические модели таких преобразователей. Не определены их технические возможности. Нет разработанных практических конструкций, схем и алгоритмов. Теоретическое моделирование бесконтактного струйного нефелометра с многоэлементным кольцевым фотодетектором и соответствующие экспериментальные исследования в конечном счете позволят усовершенствовать данный подкласс нефелометрических датчиков.
Цель работы: разработка и исследование бесконтактного струйного нефелометрического датчика с многоэлементным кольцевым фотодетектором, обладающего уменьшенной дополнительной погрешностью, вызванной отклонениями струи от вертикального направления.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
аналитический обзор существующих средств измерения мутности жидких дисперсных систем и обоснование перспективности бесконтактных струйных нефелометров с многоэлементным кольцевым фотодетектором;
-
разработка математической модели многоэлементного кольцевого фотодетектора в виде зависимости его выходного сигнала от параметров отклонения струи;
-
разработка на основе анализа предложенной модели методов уменьшения влияния отклонений струи на результат измерений;
-
разработка структуры бесконтактного струйного нефелометрического датчика с многоэлементным кольцевым фотодетектором и другими элементами, улучшающими эксплуатационную надежность устройства; разработка принципиальной схемы бесконтактного датчика мутности и оценка его точностных параметров;
-
экспериментальные исследования многоэлементного кольцевого фотодетектора с проведением вычислительных экспериментов с предложенной моделью и натурных экспериментов на макете струйного нефелометрического датчика.
Обоснованность и достоверность полученных результатов и выводов основаны на том, что в теоретических построениях использовались общепризнанные и широко используемые в науке законы и подходы. Для вычислительных экспериментов на математической модели использовался известный пакет моделирования Maple. Верность введенных допущений обоснована с приведением фактов, известных из практики. При проведении экспериментов использовались общепринятые методики. Достоверность
опытов обусловлена использованием сертифицированных, аттестованных приборов и выполнением подготовки образцов и градуировки в соответствии с действующими российскими и международными стандартами: ГОСТ 29024-91, ISO 7027.
Методы исследований
Для решения поставленных задач применялось теоретическое моделирование с последующей проверкой полученных результатов на опытах.
При разработке математической модели использовались законы геометрической оптики. При проектировании лабораторной установки использовались общеизвестные положения теоретических основ электротехники и электроники. При расчете погрешностей использовались данные из теории измерений и метрологии. Большая часть сложных математических вычислений и построений трехмерных графиков проводилась в компьютерной среде Maple.
Научная новизна
-
Предложена новая конструкция бесконтактного нефелометрического датчика, включающая в себя: многоэлементный кольцевой фотодетектор, двухосевой карданный подвес и систему термостатирования (Патент РФ на изобретение № 2463580), использование которой позволяет, в частности, устранить влияние статических отклонений струи.
-
Разработана математическая модель многоэлементного кольцевого фотодетектора в виде зависимости его выходного сигнала от параметров отклонения струи внутри датчика, что позволило оценить технические возможности датчика.
-
Определено рациональное количество фотоприемников в составе многоэлементного кольцевого фотодетектора.
-
Предложено два метода уменьшения влияния отклонений струи на выходной сигнал многоэлементного кольцевого фотодетектора: метод с дополнительным нелинейным преобразованием и метод с вычислением поправочного коэффициента. Оба метода теоретически и экспериментально исследованы с выдачей рекомендаций по их применению.
Практическую ценность имеют:
– расчетная программа для среды Maple, которая может использоваться для дальнейшей оптимизации измерительного тракта подобных датчиков;
– техническая документация (принципиальная и блок-схемы, калибровочная характеристика датчика, таблицы зависимостей погрешности таких датчиков от параметров отклонения струи), которая может быть использована как для дальнейших исследований, так и на практике;
– программа на языке Си для AVR-микроконтроллеров, реализующая метод нейтрализации влияния струи с вычислением поправочного коэффициента;
– созданные автором работы лабораторная установка и макет датчика, которые могут использоваться для дальнейших исследований.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель многоэлементного кольцевого фотодетектора в виде аналитической зависимости его выходного сигнала от параметров отклонения струи исследуемой жидкости.
-
Методы нейтрализации влияния девиации струи на выходной сигнал кольцевого фотодетектора, включая: метод прямого суммирования, метод с дополнительным нелинейным преобразованием, метод с вычислением поправочного коэффициента.
-
Результаты исследований, доказывающих состоятельность разработанной конструкции и математической модели, а также разработанных методов нейтрализации влияния струи.
-
Разработанная конструкция бесконтактного струйного нефелометрического датчика.
Реализация результатов работы.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ООО НПФ «ФОТОН», г. Уфа. Отдельные результаты работы использованы в учебном процессе в Уфимском государственном авиационном техническом университете при изучении магистрантами дисциплины «Надежность и живучесть систем».
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на ряде научных конференций: на XX Всемирном Конгрессе IMEKO (Пусан, Южная Корея, 2012), на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» в 2011 году, на 19-той Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2012», на IX международной научно-практической конференции «Vda a technologie: krok do budoucnosti – 2013» в Праге, Чехия.
Публикации
Опубликовано 12 научных работ, из них 3 – в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы
Проблемы эксплуатации нефелометрических и турбидиметрических датчиков и возможные пути их решения
Многие из перечисленных в разделе 1.1 выше измерений проводятся в тяжелых условиях эксплуатации. Наибольшие трудности возникают при воздействии на прибор следующих факторов:
– низкие зимние температуры (особенно в российских полевых условиях). Это приводит к неисправностям в механической и электрической частях прибора, а в крайнем случае может даже вести к замерзанию контролируемой жидкости и, следовательно, к прекращению процесса измерения и неисправности прибора;
– отсутствие ровной вертикальной/горизонтальной поверхности для надежной установки или крепления прибора. Так как мутномеры относятся к прецизионным приборам, отклонения вертикальной оси такого прибора, особенно в струйных моделях, сопряжены с возникновением погрешностей. Также в струйных моделях возможно забрызгивание внутренних деталей мутномера, в частности фотоприемников и излучателей. При сильном перекосе возможно полное прекращение работы мутномера;
– агрессивные дисперсные среды. Липкие, абразивные жидкости способны достаточно быстро загрязнить окна излучателей и фотоприемников света, а также поцарапать их. Паразитные отложения солей на окнах излучателей и фотоприемников снижают точность измерений. Специально используемые прочищающие щетки на практике оказываются не всегда эффективными. При поточной конструкции мутномера эта проблема является очень значимой.
Главной проблемой, являющейся следствием воздействия описанных выше неблагоприятных факторов, является короткий межрегламентный интервал, то есть время автономной работы датчика между сессиями технического обслуживания человеком. Для полевого прибора высокие значения межрегламентного ресурса (от него зависит также норма обслуживания) является одним из показателей надежности. Именно поэтому важной задачей является создание надежного датчика, способного измерять концентрацию ДФ в различных условиях, сохраняя при этом не только свою работоспособность, но и заданные значения метрологических показателей как можно более долгий период времени.
В нашем регионе (Республика Башкортостан) мутномеры используется, например, на предприятии «Уфаводоканал», которое занимается контролем и обработкой питьевой воды. Автором данной работы был посещен центр аналитического контроля качества воды при этом предприятии. В некоторых лабораториях, например, в лаборатории отдела общехимических измерений уже много лет назад установлены турбидиметры 2100 AN IS фирмы HACH (США) для измерения мутности питьевой воды, как того требовал ГОСТ СССР [24]. Однако приборы эти являются лабораторными, а не полевыми и требуют присутствия оператора (лаборанта, проводящего измерения, загружающего и выгружающего образцы, записывающего значения показаний). Автоматизированных систем определения мутности и обработки результатов на предприятии нет. Возможно, это объясняется стандартом в данной области, не требовательным к подобным измерениям. Также, мутность стандартной питьевой воды из-под крана редко превышает 10 ЕМФ (а чаще находится в пределах 5 ЕМФ), таким образом, ежедневный результат измерения мутности здесь можно считать вспомогательным и малоинформативным, необходимым по сути лишь для получения сигнальной информации о загрязнении воды. Концентрация дисперсной фазы по результатам измерения мутности затем не высчитывается.
Для продления межрегламентного ресурса датчиков мутности могут применяться специальные щетки, очищающие поверхность окон фотоприемников и излучателей в автоматическом режиме (Рис.1.8) [25]. Также могут применяться специальные очищающие поршни. Такие приспособления, безусловно, способны увеличить интервал автономной работы датчика, однако не всегда оказываются эффективными и простыми в реализации [26, 27]. Другим решением является применение мутномеров с переменной измерительной базой, то есть мутномеров, измерение в которых проводится в два этапа, при разных значениях расстояния между фотоприемником и излучателем. В результате значение мутности находится через отношение сигналов в разных позициях фотоприемника, инвариантно к отрицательно влияющих факторам различного происхождения [28, 29]. Недостатком этого метода является высокая сложность конструкции: необходим прецизионный шаговый двигатель для перемещения чувствительных элементов. Другим недостатком является снижение быстродействия, вызванное потерей времени на перестройку базы и на еще одно измерение. За это время мутность исследуемой жидкости может поменяться.
Очищающий «дворник» в датчике мутности Существуют также и более сложные и редкие методы устранения загрязнений на окнах излучателей и фотоприемников: разогрев стекол, обработка их гидрофобизирующими составами, применение кювет с переменной толщиной рабочего слоя [30, c.133]. Их сложностью и недостаточной эффективностью и обуславливается их редкое применение. Так как большинство описанных выше трудностей происходит из-за контакта жидкости и оптических элементов, возможным решением проблемы является применение средств измерения, основанных на бесконтактных схемах, например на схеме с просвечиванием струи [31]. Подробно бесконтактные струйные нефелометры рассмотрены в следующем разделе.
В настоящее время в литературе и на практике встречается большое количество различных вариантов конструкций бесконтактных турбидиметров и нефелометров [15, с.148]. Однако большинство из этих схем частично дублирует друг друга, являясь вариациями основных схем построения. Рассмотрим некоторые из этих основных схем.
– сосуд с исследуемой жидкостью
В схеме на Рисунке 1.9 свет, генерируемый излучателем, отражается от дисперсных частиц на поверхности жидкости и фиксируется фотоприемником. Соответственно, измеряемая мутность тем выше, чем больше света попало в фотоприемник. Свет, отраженный поверхностью жидкости, поглощается световой ловушкой. Жидкость подается через патрубок в стенке наклонного сосуда и, переливаясь через его верхний край, стекает вниз. У этой схемы есть несколько недостатков: – на измеряемое значение мутности влияет случайное изменение уровня жидкости в сосуде;
– в схеме невозможно использовать более одного излучателя и более одного фотоприемника. Следовательно, на конечный результат будут влиять нестабильности параметров этих оптических компонентов;
Проблемы эксплуатации в зимних условиях
Как уже было сказано в Главе 1, проблема низких зимних температур является очень значимой при эксплуатации струйных мутномеров в полевых условиях.
Температура внутри нефелометра должна быть строго постоянной и близкой к нормальной (297 К), так как при изменении температуры исследуемой жидкости изменяется и интенсивность рассеиваемого струей света и, следовательно, измеренное значение мутности. При очень низких зимних температурах (-20..-30С) возможно замерзание жидкости внутри датчика, образование наледи на окнах фотоприемников и, следовательно, возможен выход устройства из строя. Поэтому важной задачей является обеспечение датчика, например, системой термостатирования и теплоизоляцией.
Для защиты от осадков (дождя, снега, града, мокрого снега) рекомендуется размещать нефелометрические датчики внутри защитных кожухов (Рис.2.2) или производственных помещений.
Конструкция нефелометрического датчика с кольцевом фотодетектором, системой термостатирования и карданным подвесом
После анализа современных разработок бесконтактных струйных нефелометрических датчиков автором сделаны некоторые предложения по части их улучшения. Для возможности использования датчика в составе поточных комплексов в российских полевых условиях необходимо:
1. Использовать свето- и теплоизолированного корпуса с системой термостатирования, включающей в себя нагреватель, датчик температуры и управляющий элемент;
2. Обеспечить подвес корпуса посредством двухосевого карданного подвеса, автоматически выравнивающего положения датчика и устанавливающего его вертикальную ось (ось струи) параллельно действию силы тяжести, что позволяет избежать отклонения струи и, следовательно, протечек и ухудшений метрологических характеристик;
3. Применение всевозможных технических, механических и интеллектуальных средств для уменьшения влияния отклонений струи на выходной сигнал.
Автором получен патент на изобретение [38]. В нем рассматривается конструкция бесконтактного струйного нефелометрического датчика с кольцевым фотодетектором, в которой устранены некоторые из описанных выше проблем, за счет чего достигнуто улучшение метрологических характеристик. Предложенная конструкция проста и легко реализуема на базе известных электронных компонентов и материалов.
На Рисунке 2.5 изображена запатентованная конструкция. Элементы структуры:
1 – теплоизолированный корпус;
2 – двухосевой карданный подвес;
3– сосуд-стабилизатор с донной горловиной;
4 – струя жидкости;
5 – патрубок для подвода жидкости;
6 – излучатель;
7 – многоэлементный кольцевой фотодетектор;
8 – дренажная система;
9 – патрубок для отвода жидкости;
10 – блок обработки и управления;
11 – датчик температуры;
12 – нагреватель;
13 – опорный фотоприемник. Рисунок 2.5. Конструкция бесконтактного струйного нефелометрического датчика с кольцевым фотодетектором
Как видно из схемы и описания, в этой конструкции используются описанные выше двухосевой карданный подвес и теплоизолированный корпус с системой термостатирования.
Для борьбы с влиянием отклонений струи применяются: 1. Сосуд-стабилизатор с донной горловиной, являющийся промежуточным звеном между входным патрубком, через который жидкость поступает внутрь датчика, и сформированной струей. Поступающая жидкость полностью наполняет сосуд-стабилизатор. Избыточная жидкость переливается через край, стекает по стенкам и выводится наружу дренажной системой. Таким образом, объем жидкости в сосуде остается постоянным, и колебания расхода жидкости во входном патрубке не сказываются на струе, что уменьшает её изменения по форме и положению. Желательно также устанавливать внутри сосуда перегородку высотой в половину высоты сосуда вблизи входного патрубка для еще большого снижения влияния изменения расхода жидкости во входном патрубке на расход жидкости через донную горловину;
2. Многоэлементный кольцевой фотодетектор, состоящий из нескольких фотоприемников. Это позволяет не только увеличить значение выходного сигнала, но и компенсировать отклонения струи: удаляясь при отклонении от одних фотоприемников, струя приближается к другим и наоборот, вследствие чего происходит компенсация изменений значений сигналов. Многоэлементный кольцевой фотодетектор был описан в работе [39], однако его реальные возможности не были исследованы, а эффективность не была доказана до сих пор.
В начале цикла измерения включается излучатель, который подсвечивает струю жидкости, формируемую горловиной сосуда-стабилизатора. Жидкость поступает в сосуд-стабилизатор по патрубку для подвода жидкости. Рассеиваемый свет фиксируется многоэлементным кольцевым фотодетектором. Жидкость, падающая в виде струи и жидкость, стекающая по стенкам сосуда-стабилизатора собирается и отводится по патрубку для отвода жидкости с помощью дренажной системы. Сигнал с кольцевого фотодетектора проходит аналоговую обработку и оцифровывается в блоке обработки и управления, затем находится отношение этого сигнала и сигнала с опорного ФП, что позволяет избавиться от влияния нестабильности излучателя. Обработанные данные передаются на диспетчерский пункт при помощи любого из известных интерфейсов (зависит от дальности передачи). При этом работает система термостатирования, обеспечивающая постоянную температуру внутри корпуса (в частности, плюсовую температуру при зимних условиях). Неровности поверхности опоры компенсируется установкой прибора с помощью карданного подвеса.
В данной конструкции используется опорный фотоприемник, что позволяет не только избавиться от нестабильности излучателя, но и определять значение мутности не по абсолютным значениям сигнала с многоэлементного кольцевого фотодетектора, а по относительным в виде отношения значений сигнала с кольцевого фотодетектора к сигналу опорного фотоприемника. Чем выше значение мутности исследуемой жидкости, тем больше значение этого отношения.
Для защиты от влияния внешней засветки зондирующее излучение должно быть модулировано частотой 3-10 кГц. Поэтому в схеме содержится генератор прямоугольных импульсов, от которого запитан излучатель. Усиление фототока производится на переменном токе, поэтому постоянная или низкочастотная засветка не влияет на полезный сигнал. Выделяется этот полезный сигнал с помощью синхронного детектора, стробирующий вход которого подключен к упомянутому генератору прямоугольных импульсов.
Метод с дополнительным нелинейным преобразованием сигналов фотоприемников перед их суммированием (метод 2)
В предыдущем подразделе было показано, что причиной неполной нейтрализации влияния отклонений струи на суммарный сигнал многоэлементного кольцевого фотодетектора является нелинейность зависимости сигналов ФП от расстояния до струи. Логично предположить, что если подвергнуть сигналы отдельных фотоприемников специальным нелинейным преобразованиям до их суммирования, можно снизить влияние указанной нелинейной зависимости и тем самым в еще большей степени нейтрализовать влияние девиаций струи. Схема метода довольно проста (Рис.3.9): после выхода каждого фотоприемного элемента установлен нелинейный преобразователь. Вопрос заключается в выборе функции преобразования и количества элементов.
Так как сигнал ФП обратно пропорционален квадрату расстояния между струей и поверхностью ФП, можно использовать метод извлечения корня для минимизации изменения суммарного сигнала. Для извлечения корня можно использовать как аналоговые схемы извлечения на основе операционных усилителей (Рис.3.10), так и вычислители на основе микроконтроллера, то есть работать с цифровыми значениями сигналов.
При аналоговом способе извлечения корня даже с использованием качественного импортного операционного усилителя OP297 схема вносит дополнительную погрешность – 0.1% в рабочем диапазоне входных напряжений от 100мВ до 10В [51]. Использование такой схемы для каждого фотоприемника в составе кольцевого фотодетектора может обойтись довольно дорого. Однако такая схема помогает достичь высокого быстродействия. Пример схемы извлечения квадратного корня в аналоговом виде показан на Рисунке 3.9.
Учитывая то, что особых требований ко времени (десятые доли секунды) здесь не предъявляется, выгодней производить вычислительные операции с оцифрованным сигналом, используя микроконтроллер и выносной АЦП средней разрядности. При использовании 12-разрядного АЦП погрешность преобразования составит менее 0.03%. Извлечение квадратного корня и суммирование полученных значений производится при этом в цифровом виде.
Значение сигнала каждого фотоприемника при использовании такого метода будет равно:
Суммарный сигнал и = =1щ будем исследовать на модели в среде MAPLE.
Было произведено моделирование изменения значения и/щ в результате девиаций с предварительным извлечением корня из значения каждого сигнала. На Рис.3.9 показаны результаты моделирования для различных значений N. Как видно, достигается значительное уменьшение относительных изменений суммарного сигнала по сравнению с методом 1, u/u0 также уменьшается при увеличении числа ФП и достигает своего предельного значения при восьми ФП в фотодетекторном устройстве.
Как видно из Рисунка 3.11, при одинаковых с первым методом отклонениях струи и количестве фотоприемников относительное изменение сигнала фотодетектора значительно меньше и равно около: 25% для одного фотоприемника (по сравнению с 60% для метода 1), 4% – для двух (по сравнению с 15% для метода 1), 1.2% – для трех (по сравнению с 6% для метода 1), 0.65% – для четырех (по сравнению с 3,5% для метода 1), 0.5% – для восьми фотоприемников (по сравнению с 3% для метода 1).
Далее, как и в первом методе, при увеличении числа фотоприемников u/u0 уменьшаться не будет и останется фиксированным на уровне 0,5%.
В ходе работы рассматривались и другие возможные нелинейные операции над сигналом. Однако меньшая степень извлекаемого корня (например, 3/2) увеличивает относительное изменение u по сравнению с результатом применения операции извлечения квадратного корня. Большее значение корня (например, 4), заставляет работать с очень маленькими значениями сигналов, что в конечном счете снижает точность и увеличивает нелинейность. Также стоит помнить, что степень 2 очень удобна как в математическом смысле, так и при практической реализации. И так как в формуле (3.1) расстояние (в данном случае радиус кольцевого фотодетектора) находится во второй степени, применение извлечения квадратного корня здесь наиболее естественно и логично.
Недостаток данного метода заключается во влиянии на линейность характеристики преобразователя. Однако, учитывая то, что сама функция f(I) является нелинейной ввиду физических особенностей процесса, и то, что при таких условиях нефелометры требуют обязательной калибровки по всему диапазону измерений, эта дополнительная нелинейность не является проблемой. Она может быть учтена при калибровке. Калибровке при использовании данного метода необходимо уделять особое внимание, особенно в области малых значений мутности, где нелинейность, учитывая функцию квадратного корня, будет особенно высока.
Графики зависимости u/u0 от параметров девиации струи для метода 2 Таким образом, метод с извлечением корня позволяет значительно уменьшить относительное изменение выходного сигнала фотодетектора, возникающее при девиациях струи, и составляющее для кольцевого фотодетектора с восемью ФП є8=0.5%. При использование аналоговой схемы извлечения корня необходимо учитывать дополнительную погрешность схемы -0.1%.
Учитывая то, что в состав современных датчиков мутности входят перспективные микроконтроллеры и процессоры, обладающие значительной вычислительной мощностью, возможно использовать метод для определения точного местоположения струи в текущий момент времени. Зная величину отклонения, возможно рассчитать поправочный коэффициент, на который необходимо умножить значение суммарного сигнала кольцевого фотодетектора, чтобы компенсировать вызванную отклонением струи погрешность. Это местоположение можно определить за счет соотношений значений цифровых кодов, соответствующих значениям аналоговых сигналов фотоприемников. Местоположение определяется путем решения систем уравнений. Метод привлекателен полным устранением погрешности девиации струи, а алгоритм проведения подобного измерения должен выглядеть так [52]:
1. Проводится оцифровка значений сигналов всех фотоприемников щ (непосредственно измерение).
2. Составление системы уравнений с использованием заложенных в памяти вычислительного устройства формул и настроенных значений различных констант, например - радиуса кольцевого фотодетектора.
3. Используя измеренные (оцифрованные) значения сигналов ФП, вычисляются значения параметров отклонения струи а и .
4. Используя щ, вычисляется значение Д7,?) с помощью формулы (3.6) для любого ФП и соответствующие параметры отклонения а и . 5. Используя полученное значение Д70), по заложенной в памяти градуированной формуле находится истинное значения мутности жидкости.
Оценка результатов практического применения метода с вычислением поправочного коэффициента
Для применения этого метода к полученным опытным данным необходимо использовать алгоритм, описанный в разделе 3.3.3 настоящей диссертационной работы. Графики суммарного коэффициента отклонения и коэффициента поправки для значений =(Н4мм приведены соответственно на Рисунках 3.15, а и 3.15, б.
В первую очередь необходимо вычислить суммарный коэффициент отклонения сигналов, вычисляемый по формуле (3.13): где в данном случае в качестве значений сигналов щ фотоприемников будут использоваться уже вычисленные относительные значения сигналов каждого фотоприемника UJjJb приведенные в Приложении Б.
Затем по графику на Рисунке 4.25, а необходимо определить отклонение струи, вызвавшее это отклонение сигнала, которое обозначим как п (прогнозируемое). Затем по графику на Рисунке 4.25, б необходимо определить коэффициент поправки Апопр, на который следует умножить значение суммарного сигнала многоэлементного фото детектора для получения значения itpe3. Затем вычисляется результирующее отклонение сигнала рез, равное М — II 100%.
Поскольку в реальных датчиках с применением автоматических устройств обработки и вычисления графический метод использовать невозможно, составим таблицу соответствия суммарного коэффициента отклонения, линейного отклонения струи и коэффициента поправки для значений =0..4мм (Таблица 4.1).
Данные расчетов с использованием опытных данных приведены в Приложении Г.
Сравнивая различные значения и рез в таблице в Приложении Г (то есть значения до и после использования метода с вычислением поправочных коэффициентов), можно сделать вывод, что после использования метода с вычислением поправочных коэффициентов в большинстве случаев погрешность, вызванная влиянием струи, уменьшается в 2 и более раз.
Исключение составляют случаи, связанные с непредусмотренными в данном методе ситуациями при
Дело в том, что при моделировании в Главе 3 считалось, что минимальная сумма значений сигналов фотоприемников получается при нахождении струи ровно в центре кольцевого фотодетектора. В остальных случаях (при любых отклонениях) сумма сигналов всегда больше. Свидетельством этому служат графики на Рисунке 3.2 (сумма значений сигналов и всегда больше щ). Однако на практике, в частности из-за воздействия факторов, описанных в пункте 4.3.3, может получаться наоборот (см. неравенство (4.7)). Поскольку значение коэффициента поправки в Таблице 4.1 всегда Апопр1, при выполнении операции погрешность будет увеличиваться, что мы и наблюдаем в ряде случаев. Во избежание этого необходимо проводить проверку: при соблюдении неравенства (4.7) необходимо в качестве суммы относительных значений сигналов фотоприемников брать значение с аналогичным , но
Таким образом, после введения корректировки в метод с вычислением поправочных коэффициентов во всех случаях при любых отклонениях происходит уменьшение относительного отклонения выходного сигнала фотодетектора после применения данного метода. При небольших линейных отклонениях в пределах 1 мм, которые встречаются чаще всего, результирующая погрешность рез, вызванная девиациями струи, почти при всех значениях не превышает 1% при применении этого метода.
Построим графики, иллюстрирующие эффективность применения метода с вычислением поправочного коэффициента. Для этого сравним практические результаты, полученные с применением данного метода, и результаты моделирования для метода прямого суммирования. Графики для =0.67 мм показаны на Рисунке 4.26. Как видно из Рисунка, характер зависимости практически не изменяется при обработке данных с помощью метода с вычислением поправочных коэффициентов. Однако значения погрешности, вызванной нестабильностью струи, уменьшаются примерно в два раза и приближаются к теоретическим значениям.
