WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


Pages:   || 2 |

«ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Пензенский государственный университет

На правах рукописи

НАЗАРОВА Инна Таджиддиновна

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

Специальность 05.11.14 – Технология приборостроения

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель : доктор технических наук

, профессор Мурашкина Т.И.

Научный консультант : кандидат технических наук, доцент Бадеева Е.А.

Пенза 2014 СОДЕРЖАНИЕ

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 волоконнооптических сигнализаторов уровня жидкостных сред………………….. 34

1.3 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических многоточечных уровнемеров жидкостных сред…………… 37

1.4 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических датчиков гидростатического давления……………………… 42 Основные выводы и результаты………………………………………….. 50

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ,

ПРОИСХОДЯЩИХ В ОПТИЧЕСКОМ ТРАКТЕ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ

СРЕД……………………………………………………………………….. 51

2.1 Распределение светового потока в оптическом тракте волоконнооптической 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 преломления…………… 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……………………………….. 95 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 волоконнооптических систем измерения уровня жидкостных сред, реализующих новые способы измерения уровня жидкостных сред…………………….. 130 Основные выводы и результаты…………………………………………… 136

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………………………………………………. 184 ПРИЛОЖЕНИЕ А Программа «Расчет конструктивных параметров оптического чувствительного элемента волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред» ……………………………………. 197 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программа моделирования распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя микроперемещений с предельным аттенюатором……………………….. 207 ПРИЛОЖЕНИЕ В Обоснование выбора конструктивнотехнологической компонентной базы волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред……………………………………… 211 ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акты внедрения результатов диссертации…………. 222

Введение

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 городе 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, учета 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 наклоне бака 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 инженернотехнических 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 работать при воздействии температуры в диапазоне от минус 60 до 85 оС, 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 ученые: В.И. Бусурин, 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 научно-технической литературе недостаточно отражены вопросы разработки и изготовления ВОСИУЖС для инженернотехнических 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, и в том числе непрозрачных жидкостей, создающих пленки на поверхности оптических чувствительных элементов.

Решение данной проблемы лежит на 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.

Цель исследований Целью диссертационной работы 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 волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие частные задачи:

1) разработать структурные, математические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОСИУЖС;

2) 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;

3) 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;

4) 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), 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;

5) разработать технологические процедуры настройки и юстировки оптических систем измерительных преобразователей, входящих в состав ВОСИУЖС;

6) разработать новые технологические решения ВОИСУЖС, обеспечивающие простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, технологичность конструкции системы;

провести экспериментальные исследования изготовленных 7) лабораторных образцов ВОСИУЖС для подтверждения теоретических положений диссертационных исследований.

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 ВОИСУЖ, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения ВОСИУЖ 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 гиростатического давления и волоконно-оптические системы уровня жидкостных сред на их основе.

Предмет исследований – 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 использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей.

При экспериментальных исследованиях использовались теория измерений, теория планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Достоверность 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:

1) Модернизированный искро-взрыво-пожаробезопасный многоточечный волоконно-оптический уровнемер жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, отличается наличием несколько 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 «газ-жидкость».

2) 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».

3) 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 волоконнооптических сигнализаторов уровня жидкости, оптические чувствительные элементы которых контактируют 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, волоконно-оптических датчиков гиростатического давления аттенюаторного 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 обеспечивают простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, высокую технологичность конструкции системы, достижение улучшенных метрологических характеристик системы.

Практическая значимость работы

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконнооптических систем» и способствует решению актуальной научнотехнической задачи 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, в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 г.г.)» НИР «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами»

(№2.1.2/937), 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 автора (в соавторстве) использованы при разработке конструкторской и технологической документации лабораторного образца ВОИСУЖС: 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 «Нанотехнологии 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 г.г.), Международных научно-технических симпозиумах «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010 - 2014 г.г.), VI-м Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов, 2011 г.), IV-ом Российском форуме «Российским инновациям – российский капитал» и IХ-ой ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Оренбург, 2011 г., проект «Волоконно-оптические датчики физических величин для волоконно-оптических информационноизмерительных систем» отмечен дипломом и серебряной медалью), I-ой Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах» (г. Ульяновск, 2011 г.), III-ем Международном межотраслевом молодежном научно-техническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики -2011»- ВВЦ, г. Москва; XV-ом Международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД-2012» (г. Москва), Молодежных конкурсах инновационных проектов «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике (г. Звездный, 2011, 2012 г.г, проект «Волоконно оптические датчики физических величин для волоконно-оптических информационно-измерительных систем» отмечен дипломом победителя конкурса), Всероссийских НТК «Методики, техника и аппаратура внешних и внутренних испытаний» «ИСПЫТАНИЯ-2011» и «Волоконнооптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении»

«СВЕТ-2013» (Пенза, 2011 г., 2013 г.).

Публикации Основные положения диссертации опубликованы в 25 работах, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ. Без соавторов опубликована 1 работа.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырх глав и заключения, библиографического списка, шести приложений. Основная часть изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков, 23 таблицы. Список литературы содержит 125 наименований. Приложения к диссертации занимают 27 страниц.

На защиту выносятся:

1) 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, смещенных относительно друг друга на требуемый уровень дискретности, в виде прозрачных стержней с шаровидным сегментом, контактирующих с границей раздела сред «газ-жидкость».

2) Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, содержащая три и более многоточечных волоконно-оптических уровнемера жидкостных сред, 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».

3) Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня прозрачных и непрозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред в больших емкостях и в условиях движения, содержащих волоконно-оптические сигнализаторы, калибровочные сигнализаторы, датчики гидростатического давления, количество которых равно количеству секторов измерения, на которые поделена по высоте емкость.

4) 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.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ИСКРО-ВЗРЫВО-ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСНЫХ

СРЕД НА ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ В

РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1 Анализ известных способов и средств измерения уровня жидкостных сред В настоящее время современные и перспективные разработки авиационной, вертолетной, ракетно-космической, нефтегазодобывающей и других отраслей техники нуждаются в определенной номенклатуре датчиков для информационно-измерительных систем (ИИС), к которым предъявляют повышенные требования, в первую очередь, работоспособность в жестких условиях эксплуатации и обеспечение безопасности. Особенно это актуально при измерении уровня взрывоопасных жидкостей. Введение в конструкции изделия дополнительных систем и контуров защиты от случайного проскакивания искры приводит к увеличению массы авиационной, ракетной и другой техники.

Одним из основных требований, предъявляемых к ИИС измерения уровня жидкостных сред является требование обеспечения высокой точности регистрации уровня жидкостных сред [58].

В современных ИИС применяется несколько способов измерения уровня жидкостных сред, которые условно можно разделить на следующие группы: емкостные, резонансные, ультразвуковые, манометрические, термометрические, поплавковые, вибрационные и оптические.

В настоящее время в РК и АТ, в нефте- и газовой, химических промышленностях и в других отраслях зачастую применяются радиолокационный, ультразвуковой, поплавково-индуктивный и емкостный уровнемеры жидкостных сред.

Сравним различные типы датчиков для ИИС.

Радиолокационные уровнемеры фирм «Saab» типа Saab Tank Radar L/2, Швеция, «Enfar» типа 872, Голландия, Завод «Красное знамя», г.

Рязань работают по принципу частотно-модулированной синтезированной импульсной рефлектометрии [28]. Диапазон измерения 0…40 м.

Погрешность измерения (по рекламным источникам) ± 1 мм (фактически ± 5 мм). Чувствительность ± 0,1 мм. Рабочая частота 9,5…10,5 ГГц.

Излучаемая мощность 0,1 мВт. Диапазон рабочей температуры (минус 40…+ 85) оС (возможен более широкий диапазон).

К недостаткам этого типа уровнемеров можно отнести:

- неработоспособность при выпадении на антенне конденсата влаги;

- увеличение погрешности при градиенте температуры в газовой подушке над поверхностью жидкости при хаотичном изменении физических свойств газовой подушки из-за подсоса воздуха при сливе, а также при изменении условий реверберации радиоволн внутри резервуара;

- необходимость привлечения образцовых средств измерения для периодической поверки уровнемера.

Перечисленные недостатки радиолокационных уровнемеров в полной мере присущи и ультразвуковым уровнемерам.

Датчик ультразвуковой системы конструктивно прост (пьезокерамическая пластина, зажатая в конструкцию, к которой от высокочастотного генератора подводится возбуждающий ток) [28]. Однако физика взаимодействия датчика с внутрибаковой средой для ультразвуковых датчиков сложна, на колеблющейся поверхности могут возникать побочные нежелательные явления типа кавитации (в особенности при работе в кипящей жидкости), появление которых заранее предсказать трудно. По этой причине надежность внутрибаковых ультразвуковых датчиков значительно уступает надежности емкостных и манометрических датчиков. Технология получения ультразвуковых датчиков с нужными резонансными характеристиками достаточно сложна и требует весьма существенных научно-технических и финансовых затрат.

Важнейшим фактором, увеличивающим погрешность измерения радиолокационных и ультразвуковых уровнемеров, является случайное распределение физических свойств газа по всей высоте резервуара.

По простоте, массе и надежности предпочтительнее емкостная система [68,98]. Аппаратуру представляется возможным располагать на значительном удалении от объекта измерения (до 500 м), в то время как в ультразвуковой и манометрической системах преобразующая аппаратура должна располагаться в непосредственной близости от датчика.

Емкостная система позволяет произвести практически полную проверку работоспособности простыми средствами с пульта управления заправкой. Любые обрывы в кабелях или неисправности их состыковки приведут к разбалансу измерительного моста. При номинальном же состоянии (баланс моста) мост может быть искусственно разбалансирован путем подключения образцового конденсатора. В этом заключается проверка работоспособности емкостной системы.

Для достижения тех же целей в ультразвуковых и, особенно, манометрических системах требуется специальная аппаратура и значительное время.

Инерционность ультразвуковой и емкостной системы практически одинакова (не более 0,1 с), а манометрической выше: 0,2…0,5 с, хотя остается в пределах применимости при скоростях заправки до 10 мм/с [68].

Емкостная уровнемерная система является чисто электрической: не требует преобразования неэлектрических величин в электрические и обратно. Это важно, так как любые преобразования неэлектрических величин в электрические связаны с дополнительными “подводными камнями”, опасными для сохранения таких важнейших характеристик системы, как надежность, точность и помехоустойчивость.

Таким образом, системы с емкостными датчиками обеспечивают определенные преимущества.

В случае использования в качестве горючего жидкого водорода применение уровнемеров емкостного типа исключается, так как малое значение относительной диэлектрической проницаемости горючего (г=1,2) требует увеличения “сухой” емкости измерительной точки, и, как следствие, увеличения габаритов и массы датчика в целом.

Требование по обеспечению точности измерения диктует необходимость размещения преобразующей аппаратуры в непосредственной близости от емкости. В некоторых случаях требование по обеспечению безопасности эксплуатации объекта предписывает удаление аппаратуры на безопасное расстояние от емкости. Поэтому при создании ИИС при заправках нужно найти решение, позволяющее точно измерять емкость на достаточном удалении от датчика уровня, то есть требуется обеспечить измерение электрической емкости с погрешностью не более ±0,1 пФ с учетом паразитной электрической емкости кабельной линии связи, значение которой может составлять 30000 пФ [68]. Это представляет серьезную научно-техническую и метрологическую проблему, называемой среди разработчиков “проблемой длинной линии”.

Данную проблему представляется возможным решить с помощью применения трансформаторных мостовых цепей с индуктивной связью, которые обладают исключительно высокой устойчивостью и стабильностью плечевых отношений при воздействии ряда дестабилизирующих факторов. Но это решение обусловливает усложнение и увеличение габаритов аппаратуры.

С появлением в РК и АТ горячего наддува баков емкостные средства стали для некоторых компонентов топлива неприемлемыми, так как газы наддува придают верхнему слою компонента свойство электропроводности [8].

Особые трудности возникают при построении индуктивных поплавковых датчиков для криогенных компонентов топлива, так как отсутствуют данные и технические характеристики свойств магнитных материалов при температурах ниже минус 100 С, а также не представляется возможным создать технологию изготовления достаточно прочных шариков-поплавков [68, 98]. Кроме указанных недостатков следует отметить, что поплавково-индуктивные датчики громоздкие и сложные в эксплуатации.

При применении емкостных и индуктивных датчиков в условиях воздействия криогенных температур для обеспечения безопасности необходимо учитывать:

выбор материала датчиков, мест и сплавов для пайки присоединительных проводов, сварки, материалов проводов (токонесущих жил, экранирующей оплетки, изоляции);

- определение рабочего диапазона регистрации параметров и начального выходного параметра датчика – электрической емкости, так как при изменении температуры укорачиваются или удлиняются электроды датчика и изменяется зазор между ними;

- привязку датчика к базовой плоскости, от которой отсчитывается диапазон регистрации датчика;

- повышенную опасность натекания компонентов топлива в межбаковое пространство блока вследствие разгерметизации баков или магистралей подачи компонентов топлива, магистральной заправки слива и дренажа;

- требование отсутствия органических материалов в конструкции датчика, в том числе в присоединительных проводах.

Следовательно, обеспечение безопасной эксплуатации ведет к увеличению цены, массы и габаритов емкостных и поплавковоиндуктивных датчиков.

Из всего вышесказанного следует вывод: для обеспечения безопасности и надежности ИИС при измерении уровня жидкости с помощью емкостных и поплавково-индуктивных датчиков, приходится жертвовать такими ключевыми параметрами как масса и габариты. А так как в данных датчиках используются элементы электрических цепей, существует вероятность возникновения искры, так как некоторые типы топлива, используемые на специальных объектах, взрывоопасны.

Для измерения текущего уровня жидкостной среды достаточно эффективным представляется способ, основанный на регистрации интенсивности светового потока, отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на дне емкости, заполняемой жидкостью, уровень которой контролируется [98].

Способ регистрации уровня жидкости заключается в изменении соотношения толщин сред с разными коэффициентами преломления, через которые проходит сходящийся (или расходящийся) световой поток, и изменении радиуса rпи(Х) светового пятна в плоскости ПИ в зависимости от контролируемого уровня жидкостной среды Х (рисунок 1.1).

Измерительный преобразователь оптического уровнемера содержит приемо-передающую оптическую систему 1, собирающую линзу 2, зеркало

3. Линза 2 и зеркало 3 соединены между собой конструктивными элементами 4, длина которых определяется контролируемым уровнем жидкостной среды. Источник излучения 1 располагается относительно линзы 2 таким образом, чтобы световой поток, идущий в направлении зеркала, был сходящимся или расходящимся.

Недостаток данного уровнемера состоит в небольших диапазонах (максимальный уровень не более 50 мм) измерения.

Рисунок 1.1 –Оптический датчик уровня отражательного типа В работе [28] рассмотрен оптический способ измерения перемещения, заключающийся в том, что с помощью оптической системы формируется пучок лучей света, идущий в прозрачной однородной среде под углом к оптической оси приемной оптической системы в направлении к отражающей перемещающейся поверхности, отраженный световой поток поступает на приемную оптическую систему, где преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому перемещению (рисунок 1.

2).

В конструкции устройства, реализующего способ, используется несколько источников излучения 1, установленных под некоторым углом

–  –  –

В начале диапазона измерения на приемник излучения должен падать как можно меньший световой поток, а в конце диапазона как можно больший, что компенсирует резкое его затухание в пространстве с удалением контролируемого объекта. Отсюда следует, что угол между оптическими осями источника излучения и рабочего приемника излучения должен быть сходящимся в конце диапазона измерения. Но по известному способу отражающая поверхность должна располагаться на границе раздела сред «газ-жидкость», то есть «плавать». При этом возможны захлестывания жидкостной среды на отражатель, что изменяет условия отражения и, соответственно, снижает точность регистрации. Кроме того, размеры отражателя должны быть большими, если регистрируется уровень жидкости в больших емкостях.

Модифицированный способ измерения перемещения, рассмотренный в [28], был применен для измерения текущего значения уровня жидкости. Он основан на регистрации интенсивности светового потока, отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на дне емкости, заполняемой жидкостной средой (рисунок 1.3). Сущность способа заключается в том, что формируется световой поток, сходящийся относительно оптической оси приемной оптической системы ОЭИП под некоторым углом, причем часть пути (H-Xi) световой поток проходит в прямом направлении к неподвижной отражающей зеркальной поверхности, расположенной на расстоянии Н от излучающей поверхности оптической системы, через первую среду (например, воздух) с коэффициентом преломления n1, а вторую часть пути - во второй среде с коэффициентом преломления n2n1, уровень Xi которой регистрируется;

регистрируют отраженный от зеркальной поверхности световой поток, прошедший расстояние Н в обратном направлении [34].

Для обеспечения безопасности измерения жидкостных сред на специальных объектах необходимо применять датчики, измерительные преобразователи которых не содержат конструктивные элементы электрических цепей.

ОЧЭ 3 представляет собой ОВ с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления. При отсутствии контакта поверхности ОЧЭ 3 с жидкостью световой поток Ф0 от источника излучения ИИ 1 передается посредством ОВ 2 к ЧЭ 3 путем ПВО проходит его и с помощью ОВ 2 попадает на приемник излучения (ПИ) 4. При появлении жидкости с показателем преломления nж 1 для части лучей нарушается условие ПВО на границе “ЧЭ – жидкость”, часть светового потока Ф покидает ЧЭ 3 и

–  –  –

где с - коэффициент, учитывающий френелевские потери, обусловленные отражением светового потока от поверхностей ОВ;

- коэффициент экстинкции, учитывающий поглощение и рассеяние светового потока материалом ОВ;

L - длина ОВ;

к = 1, 2,..., n - количество отражений;

N - коэффициент использования светового потока, N=(Ф0- Ф)/Ф0.

Следует отметить, что практическая реализация данного технического решения сложна, так как требуется достаточно сложное технологическое оборудование для изготовления ОЧЭ с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, который в свою очередь должен обеспечить линейность зависимости (1.2). А также следует отметить, что использование протяженного ОЧЭ в конструкции ВОУ снижает надежность конструкции из-за возможности разрушения его при воздействии механических факторов.

Из возможных физических принципов действия ВОУ наиболее практичны и универсальны методы, основанные на изменении показателя преломления среды. При этом используют пороговый эффект - нарушение условия ПВО на границе двух сред при повышении показателя преломления внешней среды (погружении ОЧЭ в жидкость) [22].

Прозрачность жидкости, ее рассеивающие свойства, поглощение в ней не влияют на результаты измерений, опасность может представлять лишь загрязнение рабочей поверхности плотными непрозрачными веществами.

Важно отметить, что многие недостатки, принципиально свойственные амплитудным датчикам (невысокие точностные характеристики, их нелинейность, малый динамический диапазон) [80, 90, 104], в дискретных уровнемерах не имеют значения, поскольку в них используется пороговый принцип формирования сигналов. Достоинства же - возможность применять массовые ИИ и ПИ оптического излучения, многомодовые ОВ, простые схемы обработки сигналов в значительной степени способствуют конкурентоспособности дискретных ВОУ. Поэтому при решении задач, не требующих контроля текущего уровня жидкости, целесообразно применять сигнализаторы, работающей в релейном режиме.

Их выходной сигнал должен восприниматься последующей системой обработки первичной информации как "0" или "1" в зависимости от того, погружен ли ОЧЭ сигнализатора в жидкость или находится над ней.

Возможность четко различать эти два состояния определяется, главным образом, отношением выходных сигналов ОЧЭ в погруженном и непогруженном состояниях. Относительный перепад интенсивности оптического сигнала Q от параметров ОЧЭ определяется формулой [49] Q = (I0–I)/I0, (1.3) где I0, I - интенсивности светового потока на выходе ЧЭ, находящегося в газовой среде и жидкости соответственно.

Для надежной работы уровнемера в погруженном и непогруженном состояниях этот перепад между выходными сигналами должен быть максимальным. Возможный перепад в значительной степени определяется показателем преломления жидкости: при малых значениях показателя преломления трудно получить большой перепад сигнала.

В работе [70] показано, как работает сигнализатор, ОЧЭ которого представляет собой оправку с коническими поверхностями, обращенными вершинами к зазору между отрезками подводящего (ПОВ) 2 и отводящего (ООВ) оптических волокон 3 (рисунок 1.5).

При отсутствии жидкости в зазоре между ПОВ 2 и ООВ 3 поток излучения от ИИ 1 идет по ПОВ 2, доходит до выходного торца и выходит из ПОВ 2 расходящимся конусом. Часть этого потока излучения попадает в ООВ 3. Относительное значение попавшего в ООВ 3 светового потока зависит от квадратов значений зазора, показателя преломления среды, диаметра и апертурного угла ОВ.

Переменной величиной является показатель преломления среды n в измерительном зазоре. У воздуха nв = 1,0, у жидкости nж = 1,33…1,7.

Излучение от ПОВ 2, попавшее в ООВ 3, проходит по нему и попадает на чувствительную площадку 5 ПИ 4. Возникающий при этом электрический сигнал поступает на один вход схемы сравнения электронного блока.

Поток излучения, вышедший из ПОВ 7, засвечивает чувствительную площадку 6 ПИ 4. Электрический сигнал с этой площадки поступает на второй вход схемы сравнения. При изменении фазы среды, находящейся в зазоре между ПОВ 2 и ООВ 3, значение электрического сигнала на чувствительной площадке 5 ПИ 4 меняется в 1,75…2,9 раза. При этом меняется знак разности электрических сигналов на входах схемы сравнения электронного блока, и она выдает команду переключателю.

Достоинством данного технического решения является отсутствие эффекта смачиваемости. Связано это с тем, что при изменении уровня жидкости на высоте конусов оправы 8 поверхностное натяжение стягивает капли жидкости от зазора. Малый диаметр ОВ (0,1…0,6 мм) и большая длина конца ОВ, консольно выступающего из конуса, препятствуют образованию капель на торцах ОВ, а мениск жидкости в зазоре имеет значение, меньшее диаметра ОВ.

Однако существенным недостатком данной конструкции являются большие потери светового потока в зазоре между отрезками ПОВ 2 и ООВ 3, так как большая часть светового потока от ПОВ 2 распространяется вне апертурного угла ООВ 3.

Часто на практике стоит задача контролировать уровень жидкости в нескольких точках. При решении данной задачи необходимо использовать несколько простых в конструкции и надежных волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости (ВОСУЖ), расположенных на определенных уровнях.

Достаточно простая конструкция сигнализатора, в котором в качестве ЧЭ применяются прямоугольные микропризмы (рисунок 1.6) [78].

–  –  –

ОЧЭ 1 установлены в емкости 7 в зоне предельно допустимых значений уровня жидкости. ПОВ 2 передает световой поток от ИИ 6 к ОЧЭ

1. При отсутствии жидкости отраженный световой поток от ОЧЭ 1 поступает в ООВ 3 и передается к ПИ 4, с которого поступает на средства сигнализации 5.

При достижении жидкостью ОЧЭ 1 световые лучи уже не отражаются от поверхности ОЧЭ, а выходят в жидкость и поглощаются ею. Интенсивность светового отраженного потока, поступающего на ПИ 4, резко падает, что является сигналом наличия жидкости в зоне предельного уровня.

Однако следует отметить, применение в качестве ОЧЭ 1 микропризмы, ограничивает возможность регистрации жидкостей с малым показателем преломления из-за того, что угол падения луча света на рабочие поверхности ОЧЭ близок к 45о.

Недостаток данного сигнализатора можно исключить, используя техническое решение, которое представляет собой ВОУ, у которого ОЧЭ состоит из двух зеркально симметричных прозрачных частей, каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали (рисунок 1.7) [71].

В этом случае лучи света от ИИ 1 прошедшие ПОВ 2 падают на первую часть поверхности ОЧЭ 3 под одним и тем же углом и, отражаясь от нее, фокусируется на торце ООВ 4, с помощью которого поступают на ПИ 5. Необходимым условием фокусирования излучения на торце ООВ 4 является симметрия ОЧЭ 3 относительно плоскости, проходящей через точку к пересечения крайних лучей ОВ1 и ОВ2 апертуры и перпендикулярной оси ОО1.

Эффективность данного технического решения заключается в высокой чувствительности к минимально регистрируемому дискрету оптических плотностей измеряемых сред. С помощью данного технического решения можно исключить множество недостатков присущих другим ВОУ.

Однако получить требуемую форму ОЧЭ невозможно, т.к. на практике технологически сложно обеспечить заданную точность формирования геометрической поверхности ОЧЭ, а также обеспечить точность и надежность состыковки ПОВ и ООВ с ОЧЭ.

1.2 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических 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 n2 nВ.СР, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение большее или равное расчетного радиуса R.

Рисунок 1.8 - Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости 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 ввода светового потока в стержень и углами и, 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.

1.3 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических многоточечных уровнемеров жидкостных сред Для измерения несколько значений уровня жидкостных сред в работе [69] предложена конструкция многоточечного волоконнооптического 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 выполняется условие: nСР nЖ n1, где nСР, nЖ, n1 – показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержня соответственно.

А -А 1 11..

..

.

.

...

А А

–  –  –

Цилиндрическая часть стержней 4 закрепляется в конусообразном наконечнике 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 12 с коэффициентом преломления n1, меньшим коэффициента преломления жидкости nЖ (n1 nЖ), уровень которой измеряется. Подводящее 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.

Аналогичным образом работают другие измерительные каналы волоконно-оптического уровнемера.

Повышение или понижение уровня жидкости в емкости ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения в дальнейшем могут передаваться в систему обработки информации, которая может выдавать сигнал в виде последовательного дискретного повышения или понижения напряжения соответственно при повышении и понижении уровня жидкости, или обрабатывать индивидуально сигналы с каждого измерительного канала.

Недостатками данной системы является следующее:

- при регистрации уровня жидкости, движущейся перпендикулярно к оптической оси уровнемера (например, морская волна), точность регистрации будет невысокой;

- технологически сложно изготовить наконечник в виде конуса;

- при сборке технологически трудно протянуть через длинную трубу оптические волокна, собранные в жгуты, кроме того, при этом можно в местах стыка трубы и корпусов сломать отдельные волокна, а определить место поломки возможно только после подстыковки оптических волокон к приемникам излучения;

- полировать волокна целесообразно после вклеивания во втулки, в противном случае в процессе сборке полированная поверхность может быть поцарапана;

- если измеряется уровень агрессивной среды (например, кислотный электролит), то возможно нарушение герметичности узла «стерженьнаконечник» из-за растворения клеящего состава.

Поэтому одна из задач, решаемых в данной работе, это задача совершенствования конструкции и технологии изготовления ВОСИУЖС с использованием технического решения по заявке № 2014111955/20 от 27.02.2014 [33].

Кроме того, известная ВОСИУЖС предназначена для измерения уровня жидкости с коэффициентом преломления n 1,25, прозрачной для инфракрасного излучения. В тоже время большинство жидкостей в различных емкостях могут быть непрозрачными для ИК-излучения, например, нефть.

Поэтому вторая сложная задача, решаемая в работе, - это модернизация ВОСИУЖС с целью применения ее для измерения любого типа жидкости в условиях воздействия вибраций, ударов, изменения температуры окружающей среды в диапазоне минус 60 до 85 оС (и более) на изделиях авиационной, вертолетной, ракетно-космической техники, нефтегазовой и в других отраслях техники.

Известные ВОСИУЖС не позволяют решить ряд проблем, возникающих в условиях полета летательного аппарата (ЛА): влияние на результат измерения уровня жидкостных сред:

- изменения плотности контролируемого вещества (при изменения температуры жидкости/окружающей среды);

- ускорения а ЛА при полете;

- наклона поверхности жидкости относительно горизонта.

Поэтому в работе решаются задачи повышения точности измерения уровня жидкостных сред при воздействии перечисленных факторов.

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, учета нефтепродуктов в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро-, взрыво-, пожароопасности. Эти задачи до сих пор не решены. Это третья задача, решению которой посвящена диссертационная работа.

1.4 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических датчиков гидростатического давления На многих сложных инженерно-технических объектах часто стоит задача измерения уровня искро-, взрыво-, пожароопасных жидкостей по всему объему емкости. Для этого используют датчики гидростатического давления (ДГД), располагаемые, как правило, на дне емкости (рисунок 1.11). Но ни один из существующих ДГД не рассчитан на измерение давления с высокой точностью в больших емкостях, что обусловлено конструктивными особенностями упругих мембран. Поэтому предлагается использовать волоконно-оптические ДГД (ВОДГД) и размещать их на нескольких уровнях емкости, например, если емкость имеет высоту 20 м, то ее по высоте можно разделить на 10 участков по 2 м и, соответственно на каждом уровне установить ВОДГД, диапазон измерения которого соответствует данному участку.

Измерение уровня в резервуарах и колодцах

–  –  –

При этом ВОДГД устанавливается на ту же трубу, на которой установлены ВОС (см. рисунок 3.2).

На рисунке 1.12 приведена упрощенная конструктивная схема волоконно-оптического датчика избыточного давления аттенюаторного типа по патенту РФ № 2290605, который является прототипом разрабатываемого ВОДГД с предельным аттенюатором [72].

Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 (например, с помощью сварки) или является его частью. В центре мембраны жестко закреплен (например, с помощью сварки) дифференциальный предельный аттенюатор 3 (шторка) с круглым отверстием на расстояниях l1 и l2 относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4 и приемных торцов отводящих оптических волокон ООВ 5 первого и второго измерительных каналов соответственно.

Рисунок 1.12 - Упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального ВОДД с предельным аттенюатором ПОВ 4 и ООВ 5 жестко закреплены в корпусе 6.

Юстировка волокон относительно отверстия в аттенюаторе 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.

Измеряемое давление воспринимается мембраной 1, при этом аттенюатор 3 смещается относительно подводящих и отводящих волокон, что ведет к изменению интенсивности световых потоков, поступивших в отводящие оптические волокна. Таким образом, преобразователем измерительной информации является дифференциальный волоконнооптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП) аттенюаторного типа.

На рисунке 1.13 приведена расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПМП с предельным аттенюатором, являющегося базовым элементом ВОДГД.

ВОПМП содержит аттенюатор 1 толщиной t с круглым отверстием, расположенный на расстоянии l1 относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ, и отводящие оптические волокна ООВ первого и второго измерительных каналов, расположенные на расстоянии L от ПОВ.

ВОПМП работает следующим образом. От источника излучения ИИ по подводящему оптическому волокну ПОВ 4 световой поток 0 направляется в сторону аттенюатора 3. Под действием измеряемой физической величины (давления) аттенюатор перемещается на величину Z относительно торцов отводящих оптических волокон ООВ 5, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф1(Z) и Ф2(Z), поступающих по отводящим оптическим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно.

Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические I1 и I2, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ).

Общий вид базового дифференциального волоконно-оптического датчика избыточного давления (ВОДИД) приведен на рисунке 1.14.

ВОДИД состоит из блока мембранного 1, волоконно-оптического кабеля ВОК 2, штуцера 3, корпуса 4, втулки 5, и согласующего устройства (в котором расположены фотодиоды и светодиод).

Блок мембранный 1 состоит из корпуса, мембраны и аттенюатора.

Мембрана выполнена из сплава 36НХТЮ, корпус и аттенюатор – из стали 12Х18Н10Т. Аттенюатор крепится к мембране посредством импульсной сварки.

–  –  –

Мембрана с аттенюатором устанавливается в корпус и соединяется с ним сваркой. Отверстие в аттенюаторе 0,5 мм выполняется после установки мембраны в корпусе блока.

После укладки волокон ВОК мембранный блок устанавливается в корпус 4, в котором производится выемка для укладки волоконно-оптического кабеля.

Корпус датчика сборный, состоит из двух частей, соединенных между собой с помощью сварки. Штуцер 3 и корпус 4 выполнены из стали 12Х18Н10Т. Штуцер 3 устанавливается в корпус датчика, затем протягивают кабель. Свободное пространство штуцера заполняется компаундом «Виксинт»

или герметиком.

Согласующее устройство представляет собой держатель 6, в который вклеены светодиод 7, фотодиоды 8 первого и второго измерительных каналов.

Фотоблок присоединяется к БПИ с помощью розетки типа МР1-10-5-В. К контактам розетки подпаиваются выводы светодиода и фотодиодов.

С целью повышения герметичности штуцера 3 паз в верхней части корпуса 4 смещен вниз, а также для того, чтобы при сварке штуцера и корпуса уменьшить вероятность повреждения волокна вследствие высокой температуры. Для упрощения процесса юстировки назначены жесткие допуска на соосность отверстий в мембранном блоке. Габаритные размеры датчика 35х45х40 мм. Длина волоконно-оптического кабеля 2 … 200 м.

Данное техническое решение в результате модернизации может быть использовано в качестве элемента разрабатываемых ВОСИУЖС. Модернизация заключается в адаптации конструкции к решаемой задаче, изменению технологии сборки и юстировки отдельных элементов датчика, а также к совершенствованию процесса расчета его конструктивно-технологических параметров (см. главу 2).

Основные выводы и результаты

1 Теоретическая проработка и анализ существующих методов измерения уровня жидкости показали, что в настоящее время отсутствуют простые малогабаритные средства измерения уровня жидкости, позволяющие с высокой точностью проводить измерения в искро-взрыво-пожароопасных условиях эксплуатации.

2 Специфику выбора предмета исследований определяют требования уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на ИТО, абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, механических факторов, перепадов температур, повышения технологичности конструкции ВОСИУЖС.

3 Рассмотрены базовые конструктивно-технологические решения волоконно-оптических сигнализаторов, дифференциальных волоконнооптических преобразователей микроперемещений аттенюаторного типа датчиков гидростатического давления и многоточечного волоконнооптического уровнемера, которые являются элементами разрабатываемых ВОСИУЖС после модернизации. Модернизация заключается в адаптации их конструкций к решаемой задаче, совершенствованию процесса расчета их конструктивно-технологических параметров, изменению технологии сборки и юстировки отдельных элементов датчика.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ОПТИЧЕСКОМ ТРАКТЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД

2.1 Распределение светового потока в оптическом тракте волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред Одним из основных конструктивно-технологических элементов ВОСУЖ, влияющим на его метрологические характеристики, является узел юстировки ввода оптического излучения от источника излучения в подводящие оптические волокна, по которым далее световой поток поступает в зону среды давления. Эффективность ввода определяется несколькими параметрами как конструктивного, так и технологического характера.

При вводе излучения в оптические волокна (ОВ) возникают определенные трудности, обусловленные несогласованностью параметров источника излучения (например, светодиода) и подводящего оптического волокна. Количество введенной в ОВ энергии существенно зависит от его числовой апертуры NА. Так как ОВ захватывает только те лучи, которые заключены внутри конуса с максимальным углом NA, то потери на ввод будут иметь место, если конус излучения источника излучения (ИИ) превышает конус, определяемый числовой апертурой ОВ.

В волоконно-оптических датчиках чаще всего используют светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые инжекционные лазеры (ПЛ).

Диаграмма направленности излучения серийно выпускаемых СИД отличается неравномерностью по взаимно перпендикулярным осям Y и Z в сечении А–А, перпендикулярном продольной оси Х (рисунок 2.1,а) [44].

Рисунок 2.1 Формы пучка излучения: а СИД с поверхностным излучением;

б полупроводникового лазера; в СИД с торцевым излучением Картина поля в дальней зоне для выходного пучка ПЛ представляет собой эллипсоид, расширяющийся в направлении, перпендикулярном поверхности р-n-перехода лазера (рисунок 2.1, в). Угол расходимости светового пучка в направлении, перпендикулярном поверхности перехода, =30 60, а в направлении, параллельном поверхности перехода, =10 30.

В СИД с торцевым излучением в направлениях, лежащих в плоскости пучка перехода, имеет место расширение пучка излучения в соответствии с законом Ламберта [44]. В направлениях, перпендикулярных плоскости перехода, угол излучения сравнительно небольшой (рисунок 2.1, б).

Диаграммы направленности излучения, создаваемые поверхностью СИД показаны на рисунке 2.2 [44].

–  –  –

Распределение излучения диода поверхностного типа аппраксимируется распределением по cos (кривая ), то есть они являются ламбертовскими источниками. Интенсивность излучения падает приблизительно вдвое при угле 120.

Распределение СИД с торцевым излучением аппраксимируется распределением по (cos )n, где n = 1, 2, …, то есть более направленное (кривые и ).

Потери при вводе излучения в ОВ у СИД с торцевым излучением на несколько децибел меньше, чем у СИД с поверхностным излучением (рисунок 2.3).

–  –  –

1 – СИД с поверхностным излучением; 2 – СИД с торцевым излучением Рисунок 2.3 Расчетные значения потерь при непосредственной связи СИД с ОВ Непосредственный ввод излучения Эффективность ввода излучения при этом может быть определена непосредственно [49].

Если площадь поперечного сечения диаграммы направленности источника излучения в плоскости входного торца ОВ меньше или равна площади торца ОВ или жгута (то есть отсутствует рассогласование по площади), то мощность, введенная в ОВ, равна [39]

–  –  –

где V – увеличение линзы;

f – фокусное расстояние линзы;

dИИ – диаметр источника излучения;

DЛ – диаметр линзы.

Распределение мощности светового потока в пространстве зоны измерения ВОСИУЖ Угловое распределение яркости излучающего торца ПОВ описывается зависимостью ВОВ() = В(cos)n [39]. Из-за усреднения освещенности по выходному торцу ОВ излучающей торец ОВ можно считать источником с однородным распределением излучения по всей площади, т.е. n=1. Причем =NA, поэтому ВОВ()=ВcosNA.

–  –  –

Исходя из этого, модель распространения света можно строить в одной плоскости, тогда освещенность в плоскости, параллельной плоскости торца ОВ, отстоящей на расстоянии Xi, будет носить в исследуемых областях однородный характер.

С учетом вышесказанного построена модель в некоторой плоскости (рисунок 2.5), где кр - дистанция формирования светового пучка, A, dc – апертурный угол и диаметр сердцевины ОВ соответственно [45]. Система координат выбрана так, как показано на рисунке 2.6.

К

–  –  –

Рисунок 2.5 – Геометрические построения к выводу математической модели распределения светового потока в ВОП отражательного типа

–  –  –

где В – яркость излучения, Вт/(см2ср).

Теперь рассмотрим пространственный случай.

Определим интенсивность в точке М (Xi, y0, z0) (рисунок 2.7).

–  –  –

Интенсивность в точке М(Xi,y0,z0), находящейся на расстоянии Xi от плоскости, в которой расположены излучающие торцы ОВ, будет складываться из интенсивностей точек окружности, лежащей в плоскости. В связи с тем, что при прохождении светового потока по ОВ происходит его симметризация относительно оптической оси, то каждая точка окружности излучает световые лучи 1, 2, … i под апертурным углом NA. Т.е. каждая точка торца ОВ излучает световой поток в виде полого расходящегося конуса, угол при вершине конуса равен 2 NA (см. рисунок 2.4).

При этом возможны два случая:

1 окружность целиком лежит внутри поверхности торца ОВ (рисунок

2.8 а);

2 окружность занимает часть поверхности торца ОВ (рисунок 2.8 б).

–  –  –

Распределение интенсивности в разных сечениях светового пучка (рисунок 2.10) в зависимости от Хi будет иметь вид:

а) сечение А-А при 0 Х1 кр (рисунок 2.11, а);

б) сечение Б-Б при Х2 =кр (рисунок 2.11, б);

в) сечение В-В Х3 кр (рисунок 2.11, в).

В зависимости от расстояния Хi, соотношение длин a, b - зон постоянной интенсивности будут меняться (см. рисунок 2.11). Т.е случай, рассмотренный ранее (случай распределения в некоторой плоскости), есть аппроксимация пространственного случая ступенчатыми функциями.

–  –  –

В то же время данный участок целесообразно использовать в ВОП релейного типа: в сигнализаторах уровня жидкости, так как из-за неравномерного распределения светового потока обеспечивается резкий перепад сигнала, что в данном случае является необходимым.

При конструировании ВОС ОЧЭ следует располагать на расстоянии

Xiкр, где кр – расстояние формирования светового пучка, так как:

1 по всей плоскости торца стержня распределение будет однородным за исключением одной точки (луч от данной точки не выйдет, так для точек, лежащих около оптической оси, потеря интенсивности будет максимальна). Что позволяет проводить более простые расчеты;

2 при Хi кр - распределение на торце:

а) неравномерное;

б) уменьшается подача светового потока в зону измерения, что ведет к малому выходному сигналу.

Наконец, при некотором положении Хi = а кр световой поток не будет попадать в зону измерения (в нашем случае на входной торец ОЧЭ).

При конструировании дифференциальных ВОДГД аттенюатор следует располагать на расстоянии большем, чем кр, так как:

1 распределение будет равномерным, что дает возможность исключить нелинейность и управлять поведением функции преобразования в диапазоне регистрации, проводить более простые расчеты;

2 при расположении Хi кр распределение на торце неравномерное и данный участок не рекомендуется для измерительных преобразователей, имеющих функцию преобразования непрерывного типа. В то же время данный участок целесообразно использовать в измерительных преобразователях релейного типа;

3 при Хi = а кр световой поток не будет попадать на модулирующий элемент.

2.2 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе уровня с управляющим элементом в виде границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломления 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 и радиуса оптического L R 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].

–  –  –

После одного или нескольких отражений лучей 1, 2 и 3, 4 под углом (рисунок 2.14, 2.15) от цилиндрической поверхности ОЧЭ падают на сферическую поверхность под углами: лучи 1, 3 - 1, лучи 2, 4 - 2.

Возможны варианты прохождения светового потока в зависимости от длины L, радиуса R, расстояния Xi, диаметров dс, dо:

–  –  –

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 поверхнос ти под углами: лучи 1, 3 под углом 1, лучи 2, 4 под углом 2, (рисунок 2.19), или нескольких отражений от цилиндрической поверхности (рисунок 2.20), затем падают на плоский торец ОЧЭ при этом количество отражений под углами может быть не одинаковым.

1, 2

–  –  –

n0 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) 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.

Для надежной работы сигнализатора необходимо найти значения конструктивных параметров ОЧЭ, обеспечивающих максимальный перепад между оптическими сигналами ОЧЭ в погруженном и непогруженном состояниях:

Q = (Ф1 + Ф2)/Ф1, где Ф1, Ф2 – интенсивности светового потока на выходе ОЧЭ, находящегося в газовой среде и жидкости соответственно [19].

–  –  –

Построим математическую модель распространения светового потока в ОЧЭ и исследуем влияние на математическую модель изменения конструктивных параметров ОЧЭ, а именно:

- длины L, радиуса R1 ОЧЭ;

расстояния Xi от ПОВ (ООВ) до ОЧЭ.

Для построения модели необходимы следующие справочные данные:

NA – апертурный угол ОВ;

n1 – показатель преломления ОЧЭ;

n0 – показатель преломления среды (газа - воздуха), n0=1;

n – показатель преломления исследуемой жидкости;

dc– диаметр сердцевины ОВ;

do – диаметр оболочки ОВ.

Вследствие того, что ход лучей во всех направлениях одинаков, при построении модели будем рассматривать прохождение лучей в некоторой плоскости. Такое допущение позволяет несколько проще построить данную модель, что ни в коей мере не накладывает ограничений на ее использование, так как трехмерная картина распределения интенсивности света при выходе из ОЧЭ получается вращением графика одномерной функции распределения интенсивности вокруг оси симметрии. Для построения модели используются методы аналитической геометрии на плоскости. Введена система координат Oxy (рисунок 2.26) [65].

Рассмотрим точку M (L, y0), через которую проходит луч из сердцевины ПОВ. В зависимости от перечисленных параметров найдем координаты точки M'(L+Xi, y') находящейся на общем торце ООВ и ПОВ. Для этого построим уравнения лучей.

Уравнение первого луча [20]:

y = kx + b, где k = – tg, где угол находится с помощью закона Снеллиуса [12]:

–  –  –

2.3 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе гидростатического давления с модулирующим элементом в виде аттенюатора Гидростатическое давление среды воспринимается упругим элементом (мембраной) с закрепленным на нем дифференциальным предельным аттенюатором (непрозрачный экран) с круглым отверстием (см. п. 1.4). При прогибе мембраны под действием давления аттенюатор смещается относительно подводящих и отводящих волокон, что ведет к изменению интенсивности светового потока, поступившего в отводящие оптические волокна. Таким образом, базовым измерительным преобразователем является дифференциальный волоконно-оптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП).

Экспериментально доказана эффективность аттенюатора с круглым отверстием: он обеспечивает повышение чувствительности преобразования оптического сигнала в 2...3 раза по сравнению с другими вариантами исполнения аттенюатора [75]. Соответственно данный вариант исполнения дифференциального аттенюатора рекомендуется к применению в дифференциальном ВОДГД аттенюаторного типа. Поэтому рассмотрим принцип действия ВОДГД дифференциального типа именно с предельным аттенюатором с круглым отверстием, расчетная конструктивнотехнологическая модель которого приведена на рисунке 1.12, а также определим для него функцию преобразования [72, 76].

Функция преобразования ВОПМП зависит от способа модуляции оптического сигнала в зоне регистрации физического параметра. В ВОПМП с предельным аттенюатором модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия части светового потока перемещающимся непрозрачным экраном.

Функция преобразования Ф(Z) ВОПМП с предельным аттенюатором с круглым отверстием запишется:

Ф(Z) = К0КАТ (Z)Ф0, (2.33) где К0 - коэффициент, характеризующий распределение освещнности в зоне регистрации физической величины;

КАТ (Z) - коэффициент передачи тракта «подводящее оптическое волокно ПОВ – аттенюатор – отводящее оптическое волокно ООВ»;

Ф0 - начальный световой поток на выходе ПОВ.

Для целенаправленного управления поведением функции преобразования, необходимо, чтобы коэффициент К0 был равен 1. Очевидно, что при К0=1 функция преобразования Ф(Z) оценивается по поведению функции передачи оптического тракта, т.е. коэффициента КАТ (Z).

Технологическая схема компоновки оптических волокон в общем торце волоконно-оптического кабеля ВОПМП датчика при модуляции светового потока для аттенюатора с круглым отверстием, перемещающимся вдоль оси Z, представлена на рисунке 2.27.

При соосном расположении ПОВ и ООВ

–  –  –

Рисунок 2.27 – Технологическая схема компоновки оптических волокон в общем торце волоконно-оптического кабеля преобразователя микроперемещений ВОДГД с предельным аттенюатором с круглым отверстием

–  –  –

где аi, Di определяются выражениями (2.43) – (2.49), RCП - выражением (2.40).

Анализ выражения (2.52) показывает, что вид функции преобразования ВОПМП с дифференциальным аттенюатором определяется следующими параметрами:

– радиусом сердцевины rC, внешним диаметром dОВ, апертурным углом ОВ (т.е. типом используемых ОВ);

– количеством n ООВ;

– расстоянием L между подводящими и отводящими волокнами Основные выводы и результаты 1 Определено, что одним из основных конструктивно-технологических элементов ВОСИУЖС, влияющим на их метрологические характеристики, является узел юстировки ввода оптического излучения от источника излучения в подводящие оптические волокна, по которым световой поток поступает в зону измерения.

2 Определены условия эффективного ввода оптического излучения в оптический канал. Для этого рассмотрены вопросы распределения мощности светового потока в пространстве оптической системы, проведен анализ математического аппарата лучевой теории распространения и преобразования света в оптическом канале ВОСИУЖС.

3 Доказано, что учет распределения плотности мощности по сечению пучка света и характера изменения структуры излучения в зоне среды позволяет определить оптимальное местоположение оптических модулирующих элементов относительно рабочих торцов ОВ.

4 Проведена математическая формализация процесса распределения светового потока в оптической системе дифференциальных ВОДГД аттенюаторного типа, входящих в состав разработанных МВОУ, определены условия наиболее эффективного согласования и взаимного расположения элементов оптической системы.

5 Определено выражение для определения соотношения конструктивных параметров L и R оптического чувствительного элемента ВОС, обеспечивающих максимальный перепад между оптическими сигналами ОЧЭ в погруженном и непогруженном состояниях.

6 Доказано, что вид функции преобразования волоконно-оптического преобразователя микроперемещений ВОДГД определяется следующими параметрами ОВ: радиусом сердцевины rC, внешним диаметром dОВ, апертурным углом оптического волокна (т.е. типом используемых ОВ);

количеством n отводящих оптических волокон, расстоянием L между подводящими и отводящими оптическими волокнами.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И

НОВЫХ СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ

ИСКРО-ВЗРЫВО-ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД

3.1 Методики расчета энергетических и оптимальных конструктивных параметров оптической системы измерительных преобразователей разрабатываемых волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред 3.1.1 Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических сигнализаторов Для повышения чувствительности ВОС на основании разработанной математической модели (2.7) предложено с помощью изменения конструктивных параметров ОЧЭ управлять световым потоком, добиваясь на выходе ОЧЭ, чтобы:

1 область кольца K 1, либо K 2 не попадала на ООВ;

2в области колец находилось максимальное (минимальное) количество ООВ;

3 освещенность ООВ (площадь перекрытия ООВ указанными кольцами либо одним из них) менялась в зависимости от оптической плотности жидкости, либо менялось соотношение площадей колец.

Исследование поведения светового потока предполагает целью установление зависимости между интенсивностью выходного сигнала и конструктивными параметрами ОЧЭ (рисунок 3.1). Этими параметрами являются длина L и радиус R1 ОЧЭ. Исследование заключается в получении значений интенсивности на выходе ОЧЭ при различных параметрах длины L и радиуса R1, изменяющихся с некоторым шагом. Проведение исследования на реально существующих сигнализаторах затруднительно из-за необходимости изготовления большого количества ОЧЭ.

–  –  –

Более целесообразным представляется имитационное моделирование на персональном компьютере поведения светового потока в пространстве ОЧЭ с целью получения оптимальных значений конструктивных параметров ОЧЭ длины и радиуса R1 для последующего изготовления ВОС и L экспериментальной проверки полученных результатов.

Для расчета ОЧЭ, используемого при построении ВОС, воспользуемся математической моделью, полученной в п. 2.3, 2.4.

На основании полученной функции преобразования выражения (2.7), (2.8) была разработана программа (в соавторстве) расчета оптимальных конструктивных параметров ОЧЭ (приложение А).

Исходными данными для расчета являются диапазоны изменения длины L и радиуса R1 (см. рисунок 3.1), расстояние от торца ОЧЭ до ООВ Xi, показатели преломления ОЧЭ и среды n1 и n соответственно. Диапазоны изменения параметров L и R1 выбираются из соображений обеспечения технологичности изготовления ОЧЭ. После выбора параметров и нажатия кнопки «Произвести расчет» программа производит расчет прохождения лучей через ОЧЭ (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Прохождение лучей через ОЧЭ После этого программа строит график распределения интенсивности выходного сигнала по диаметру ОЧЭ (рисунок 3.

3).

ОЧЭ должен иметь максимальную чувствительность и наибольшую разность между интенсивностью излучения на выходе при наличии жидкости и при ее отсутствии.

Для повышения чувствительности необходимо добиться, чтобы как можно большая часть выходного оптического сигнала попадала в зону расположения ООВ (см. п. 2.3).

Рисунок 3.3 - Распределение интенсивности на выходе из ОЧЭ

Оптимизация конструктивных параметров ОЧЭ Как видно из рисунка 3.3, максимум интенсивности выходного сигнала приходится на край ОЧЭ, где расположены ООВ. Это подтверждает оптимальность выбора схемы расположения ООВ по периметру ОЧЭ (см.

рисунок 3.1, сечение А-А).

Для выбора оптимальных значений параметров L и R1 необходимо найти распределение интегральной интенсивности по длине ОЧЭ и по его радиусу в заданных пределах и определить участки, на которых искомые параметры будут максимальными.

Моделирование необходимо провести для двух случаев: контакта ОЧЭ с контролируемой жидкостью и с воздухом.

Анализ результатов машинного эксперимента Для проведения моделирования первоначально задаются параметры, соответствующие контакту ОЧЭ с жидкостью (n=1,33). После этого программа строит графики распределения интегральной интенсивности по длине и радиусу ОЧЭ, причем длина изменяется с заданным шагом от L0 до L и от R0 до R (рисунки 3.4, 3.5).

В данном случае L изменяется от 2 до 5 мм, R1 изменяется в диапазоне от 0,75 до 1,2 мм (см. рисунок 3.1).

Из рисунка 3.4 видно, что максимум интегральной интенсивности по длине ОЧЭ достигается при L = 4 мм, составляя 11 % от входного сигнала.

Из рисунка 3.5 видно, что максимум интегральной интенсивности по радиусу ОЧЭ достигается при R1, находящемся в диапазоне от 0,9 до 0,95мм.

Рисунок 3.4 - Распределение интенсивности по длине ОЧЭ Рисунок 3.

5 - Распределение интенсивности по радиусу ОЧЭ График распределения интенсивности на выходе из ОЧЭ (рисунок 3.6) показывает, что максимум интенсивности лежит в диапазоне от

-0,84 до -0,53 мм в выбранной системе координат, т.е. в диапазоне от 0,36 до 0,67 мм от края ОЧЭ.

После этого производится моделирование для случая контакта ОЧЭ с воздухом (вводится показатель преломления среды остальные n=1, параметры в том же диапазоне, что и для первого случая).

На рисунке 3.7 показано распределение интенсивности на выходе из ОЧЭ. Из рисунка видно, что максимум интенсивности расположен в диапазоне от -1,17 до -0,95 мм, т.е. на расстоянии 0,03…0,25 мм от края ОЧЭ.

В этом диапазоне интенсивность меняется от 8 до 30 %.

Рисунок 3.6 - Распределение интенсивности на выходе из стержня при контакте ОЧЭ с жидкостью Интегральная характеристика интенсивности по длине ОЧЭ содержит максимум в той же точке, что и характеристика в случае контакта ОЧЭ с жидкостью при L = 4 мм (рисунок 3.

8).

Распределение интегральной интенсивности по радиусу ОЧЭ (рисунок 3.9) содержит максимум в той же точке, что и при контакте ОЧЭ с жидкостью при R1 = 0,95 мм.

–  –  –

Из анализа графиков распределения интегральной интенсивности по длине и радиусу ОЧЭ можно сделать вывод, что максимальная интенсивность на выходе ОЧЭ в зоне расположения ООВ достигается при длине ОЧЭ 4 мм и радиусе 0,95 мм. Диапазон изменения длины ОЧЭ L может составлять от 3,9 до 4,1 мм, диапазон изменения радиуса R1 может составлять от 0,9 до 0,96 мм.

Из анализа графиков распределения интенсивностей на выходе из ОЧЭ в случаях контакта его с жидкостью и с воздухом соответственно можно сделать вывод, что при расположении ООВ на расстоянии Xi = 0…0,4 мм от плоского торца ОЧЭ перепад интенсивностей составит 5% при контакте ОЧЭ с жидкостью и 15% при контакте с воздухом, т.е. значение выходного сигнала будет различаться в 3 раза.

3.1.2 Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических датчиков гидростатического давления Основная задача расчета оптической системы, которая стоит на стадии проектирования ВОДГД, заключается в определении ряда конструктивнотехнологических параметров, обеспечивающих эффективный ввод излучения из ПОВ в ООВ, обеспечение условий дифференциального преобразования оптических сигналов, линейную функцию преобразования Ф(z), высокую чувствительность преобразования dФ/dz, максимальную глубину модуляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов ООВ, минимальные габаритные размеры ВОДГД.

Изменяя тем или иным образом параметры a, D, х0 в выражении (2.52) можно целенаправленно изменять вид функции Ф(z).

Для выбора конструктивно-технологических параметров дифференциальных ВОДГД введены критерии оптимальности [57].

–  –  –

- ширина «полки» b (горизонтальная прямая на рисунках 3.10, 3.11, соединяющая точки зависимостей Ф1(z) и Ф2(z), соответствующие 0,75dc для первого измерительного канала и 0,25dc второго измерительного канала, имеющих одинаковые значения) должна быть b0,5dc. Ширина «полки»

характеризует независимость сигналов измерительных каналов.

На основании математического моделирования осуществляется оптимизация конструктивно-технологического исполнения ВОПД:

определяется или уточняется пространственное расположение аттенюатора относительно ПОВ и ООВ, профиль и размеры аттенюатора, пространственное расположение ОВ в рабочих торцах ВОК, габаритные размеры модулирующего элемента.

Исходными данными для расчета являются:

1 Тип используемых оптических волокон, характеризующихся следующими справочными данными:

– апертурным углом NA;

–  –  –

4 Местоположение плоскости, в которой распределение освещенности равномерное и где установлен аттенюатор относительно ПОВ и ООВ.

В результате расчета ВОПМП с предельным аттенюатором должны быть определены следующие параметры:

– радиус отверстия в аттенюаторе RО;

– расстояние l1 от излучающего торца ПОВ до аттенюатора;

– расстояние l2 от аттенюатора до приемного торца ООВ;

– расстояние L от излучающего торца ПОВ до приемного торца ООВ;

– толщина аттенюатора tАТ, обеспечивающиt дифференциальное преобразование сигналов, достижение требуемых метрологических характеристик ВОДГД.

В конструкции датчика используется дифференциальная схема преобразования светового потока, в которой при Zi=0 (когда центр изображения совпадает с осью приемных торцов ООВ), открыты верхняя половина ООВ первого измерительного канала и нижняя половина ООВ второго измерительного канала.

Чтобы потоки Ф1 и Ф2, поступающие в ООВ каждого измерительного канала, были равны, важно, чтобы поверхность аттенюатора и ООВ были освещены равномерно. Это достигается расположением аттенюатора на расстоянии l1 LФ и расположением ООВ на расстоянии L l1 + tАТ.

Анализ результатов теоретических исследований показал, что существенной глубины модуляции оптического сигнала (до 30 %) и линейной функции преобразования можно добиться, если мембрана прогибается в диапазоне 0,25dc…0,75dc, то есть аттенюатор перемещается вдоль оси Z вверх или вниз относительно ОВ приблизительно на 0,5dC.

Например, при dC=200 мкм перемещение по оси Z составит 100 мкм.

По разработанной программе моделирования распределения светового потока в пространстве ВОПМП с предельным аттенюатором (Приложение Б) проведены машинные эксперименты в среде MathCad.

В процессе эксперимента изменялись:

– радиус отверстия в аттенюаторе RО;

– расстояния l1 от излучающего торца ПОВ до аттенюатора и l2 от аттенюатора до приемного торца ООВ (рисунок 5.4).

Примечание. Толщина аттенюатора tАТ в процессе эксперимента оставалась неизменной tАТ =0,2 мм.

На рисунке 3.10 приведены результаты моделирования при вышеперечисленных параметрах.

Для ВОПМП с предельным аттенюатором (с круглым отверстием) строились зависимости при l1, начиная со значения порядка 3dc (так как при l1=2,5dc…3dc значение интенсивности мало), для ОВ с внешним диаметром 500 мкм, диаметром сердцевины 200 мкм, апертурным углом 12 град.

Анализируя результаты моделирования ВОПМП с предельным аттенюатором, можно сделать следующие выводы:

- характер зависимостей f1(z) и f2(z) аналогичный при всех значениях l1 и l2;

- линейность зависимостей f1(z) и f2(z) при l1=3dc сильно зависят от l2.

максимальная линейность этих зависимостей наблюдается при l2 =3dc;

- максимальные значения интенсивностей f1(z) и f2(z) соответствуют l1=3dc…3,5dc;

- существенное влияние на чувствительность преобразования и линейность зависимостей f1(z) и f2(z) оказывает радиус отверстия, наиболее предпочтительным является радиус отверстия RО = dC.

Анализ результатов моделирования позволил выбрать оптимальные параметры ВОПП (на рисунке 3.10 выделены соответствующие графики зависимостей Ф1(z) и Ф2(z)), например, для ОВ dC=200 мкм, NA=12 градусов:

- с отражательным аттенюатором: Н=dC=0,2 мм, X0=1,2 мм;

- c предельным аттенюатором: RО=0,2 мм, l1=1,5 мм, l2 =1,3 мм при t= 0,2 мм.

RО=0,1 мм, l1 =1,6 мм, l2 =1,3 мм, t=0,2 мм RО = 0,1 мм, l1 =1,55мм, l2 =1,3 мм, t=0,2 мм RО=0,1 мм, l1 =1,5 мм, l2 =1,35 мм, t=0,2 мм RО = 0,1 мм, l1 =1,5 мм, l2 =1,3 мм, t=0,2 мм R =0,2 мм, l1 =1,55 мм, l2 =1,35 мм, t=0,2 мм RО=0,1 мм, l1 =1,5 мм, l2 =1,35 мм, t=0,2 мм

–  –  –

RО = 0,2 мм, l1 = 1,5 мм, l2 = 1,3 мм, t=0,2 мм R =0,2 мм, l1 =1,5 мм, l2 =1,35 мм, t=0,2 мм RО = 0,2 мм, l1 = 1,5 мм, l2 = 1,3 мм, t= 0,2 мм RО=0,1 мм, l1 =1,5 мм, l2 =1,4 мм, t=0,2 мм RО=0,2 мм, l1 =1,53 мм, l2 =1,35 мм, t=0,2 мм R =0,1 мм, l1 =1,53 мм, l2 =1,4 мм, t=0,2 мм

–  –  –

3.1.3 Энергетический расчет искро-взрыво-безопасности разрабатываемых волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред 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 1, оптическое волокно ОВ1 - 2.

Р0 4 ВОК1 ОР1 Р ОР2 ОВ1 ИИ

–  –  –

По оптическому волокну ОВ1 оптический сигнал поступает в разветвитель Р, где световой поток с выхода ОВ1 распределяется на N оптических волокон в равных долях. В системе используется N измерительных преобразователей, соответственно количество разветвлений равно (N-1).

–  –  –

Используя данные таблицы 3.1, имеем = 10 +0,02N + 3 + 2(N-1) + 0,5(N-1) + 7N = (10,5+9,52N) дБ 10(N+1) дБ, min =11 +0,04N + 6 + 2(N-1)+ 0,7(N-1)+10N =(14,3+12,74N) дБ 13(N+1) дБ.

max

–  –  –

оптические потери в измерительных преобразователях в состоянии наибольшего пропускания должны быть не более (5...7) дБ для ВОПМП непрерывного действия, (7...10) дБ для ВОС релейного действия;

динамический диапазон изменения вносимых оптических потерь в измерительных преобразователях под действием измеряемых физических величин должен быть не менее 5 дБ для ВОПМП непрерывного действия и не менее 10 дБ для ВОС релейного действия.

сигналы, поступающие на вход измерительных преобразователей, должны иметь среднюю мощность не менее минус 20 дБ м;

средняя мощность выходных сигналов ВОПМП непрерывного действия в момент наибольшего пропускания должна быть не менее минус 25 дБ м;

средняя мощность выходных сигналов ВОС релейного действия до срабатывания должна быть не менее минус 20 дБ м и не более минус 30 дБ м после срабатывания;

оптические потери непосредственно в самом измерительном преобразователе в состоянии наибольшего пропускания (отражения, рассеяния) должны быть не более: (5...7) дБ для ВОПМП непрерывного действия, (7...10) дБ для ВОС релейного действия (рисунок 3.11);

динамический диапазон изменения вносимых оптических потерь в измерительных преобразователях под действием измеряемой физической величины должен быть не менее 5 дБ для ВОПМП непрерывного действия и не менее 10 дБ - для ВОС релейного действия (со скачкообразным изменением вносимого затухания) (см. рисунок 3.11).

Для улучшения метрологических характеристик ВОП ВОСИУЖС и увеличения минимальной мощности необходимо на этапе проектирования определить наиболее оптимальные их конструктивные параметры (см.п.п. 3.1.1

–  –  –

3.2 Особенности построения и принцип действия модернизированного многоточечного уровнемера жидкостных сред Разработан модернизированный ВОУ (рисунок 3.14), в которых устранены недостатки МВОУ, рассмотренного п.1.2 (см. рисунок 1.10).

Модернизированный МВОУ предназначен для измерения уровня жидкостей, прозрачных для ИК-излучения с коэффициентом преломления МВОУ содержит источники излучения 1, например n1,25.

полупроводниковые светодиоды, подводящие (ПОВ) 2 и отводящие (ООВ) 3 оптические волокна, оптические стержни 4, корпуса 5, состоящие из трех частей: полых трубок 6, втулок 7 со сквозным внутренним отверстием, наконечников 8 с цилиндрическим сквозным отверстием, трубу 9, заглушку 10, приемники излучения 11, например фотодиоды.

Наконечник 8 выполнен в виде цилиндра и усеченного конуса, причем цилиндр является основанием для усеченного конуса, малое основание которого обращено в сторону шаровидного сегмента стержня 4.

С источниками излучения 1 состыкованы ПОВ 2, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости.

–  –  –

где dов – диаметр оптического волокна, из оптически прозрачного материала, например, из кварцевого стекла, для которого выполняется условие:

nСР nЖ n1, (3.2) где nСР, nЖ, n1 – показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержня соответственно.

Цилиндрическая часть стержней 4 закрепляется в наконечнике 8 корпуса 5 спеканием при высокой температуре, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 8 корпуса 5 на значение равное R. Подводящее оптическое волокно 2 и отводящее оптическое волокно 3 закреплены во втулке 7 корпуса 5 с помощью клея 12, обладающего большой упругостью.

Втулки 7 устанавливаются в паз 13 наконечников 8.

А-А 1..

.

...

А А

–  –  –

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 …1,5dов/2). Внутренняя полость 15 корпуса 5 заполняется герметиком 16 (на фиг. 1 не показан) в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т.п.

Количество корпусов 5 соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Труба 9 изготавливается длиною не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости. Поперечное сечение трубы 9 может быть круглым или прямоугольным. На рисунке 3.14 для примера приведена круглая труба. В трубе 9 просверлены сквозные отверстия 17 так, что их оси перпендикулярны продольной оси трубы. Например, как показано на рисунке 3.14, отверстия 17 выполнены равномерно по спирали с равномерным шагом, соответствующим расстоянию между точками съема информации.

Количество отверстий 17 соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Корпуса 5 крепятся к трубе 9 с помощью сварки 18 так, чтобы отверстия в верхней части корпуса 5 были совмещены с отверстиями в трубе.

Герметизация трубы осуществляется с помощью заглушки 10, которая крепится к трубе 9 с помощью сварки 19. Внутренняя полость 20 трубы 9 заполняется герметиком 21 (на рисунке 3.14 не показан) 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 17 в трубе 9 протянуты к приемному торцу стержня 4.

Один измерительный канал волоконно-оптического уровнемера работает следующим образом (рисунок 3.15).

Рисунок 3.15 –Модернизированный волоконно-оптический многоточечный уровнемер жидкостных сред Излучение источника излучения 1 направляется по ПОВ 2 к стержню 4.

Поток излучения, излучаемый торцом ПОВ 2, падает на входной торец стержня 4, преломляется и распространяется по нему путем переотражения от цилиндрической поверхности до шарового сегмента [33].

При отсутствии контакта шарового сегмента стержня 4 с жидкостью лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения отражаются от поверхности стрежня 4 и возвращаются обратно к входному торцу стержня 4, преломляются и выходят из стержня 4, падая на приемный торец ООВ 3. По ООВ 3 поток излучения распространяется до приемника излучения 11, где происходит его преобразование в электрический сигнал.

При контакте шарового сегмента стержня 4 с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения, и большая часть излучения выходит из стержня (см. рисунок 3.15 точка А), оставшаяся меньшая часть по ООВ 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.

Аналогичным образом работают другие измерительные каналы волоконно-оптического уровнемера.

Повышение или понижение уровня жидкости в емкости 22 ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения 11 в дальнейшем могут передаваться в систему обработки информации, которая может выдавать сигнал в виде последовательного дискретного повышения или понижения напряжения соответственно при повышении и понижении уровня жидкости, или обрабатывать индивидуально сигналы с каждого измерительного канала.

Общее количество оптических волокон ВОСИУ равно 2n, где n – количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина Li двух отдельных i-х волокон определяется соотношениями (см.

рисунок 3.15):

–  –  –

где L – длина участка от источника 1 или приемника излучения 11 до емкости 22 (см. рисунок 3.15);

H – высота емкости 22 (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации);

i - расстояние между ближайшими точками контроля (см. рисунок 3.15);

i =1, 2,…, n – порядковый номер точки.

Таким образом, предлагаемая конструкция многоточечного волоконно оптического уровнемера реализует дискретное измерение уровня жидкости, что позволяет регистрировать несколько значений уровня жидкости в требуемых точках емкости, работоспособна в жестких условиях, обладает абсолютной искро- взрыво- пожаробезопасностью, т.к. в качестве передающей среды используется световой поток, и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

3.3 Новые способы измерения уровня искро-взрыво-пожароопасных жидкостных сред

Предложен новый способ измерения уровня жидкости на базе искро-, взрыво- пожаробезопасной волоконно-оптической измерительной системы (ВОИИС), включающей в себя волоконно-оптический датчик давления, волоконно-оптический датчик ускорения и волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости.

Данная ВОИИС позволяет решить ряд проблем, возникающих в условиях полета летательного аппарата (ЛА):

- влияние изменения плотности контролируемого вещества (при изменения температуры жидкости/окружающей среды)

- влияние ускорения а ЛА при вертикальном взлете или посадке.

На рисунке 3.16 условно изображено расположение датчиков на ЛА.

Рисунок 3.16 – Схема расположения волоконно-оптических датчиков на ЛА Датчик давления предназначен для измерения столба жидкости высотой H, соответствующей измеряемому уровню.

В виду того, что на упругий элемент датчика давления оказывается незначительное давление Р (например для керосина плотностью 800 кг / м 3 при высоте столба жидкости H изменяющегося от 1 до 7 м, давление изменяется от 8 до 56 кПа), целесообразно расположить датчик давления на дне резервуара. Датчик ускорения жестко закрепляется в приборном отсеке ЛА и регистрирует его ускорение а.

Сигнализатор уровня жидкости выполняет роль калибровочного элемента, предназначенного для снижения погрешности, обусловленной изменением плотности жидкости.

Блок преобразования информации (БПИ) системы выполняет функцию преобразования электрического сигнала в оптический Ф0 и наоборот.

Оптические сигналы Ф P, Ф H k, Ф а с выходов волоконно-оптических датчиков (ВОД) поступают на вход БПИ и преобразуются соответственно в электрические сигналы I P, I H k, I а. БПИ может быть расположен в безопасной зоне приборного отсека, на значительном расстоянии от топливного бака. С датчиками БПИ соединяется посредством волоконно оптического кабеля.

Калибровка производится в момент заполнения бака топливом при атмосферном давлении Р0 следующим образом (рисунок 3.17).

–  –  –

вычислительной машины. Когда уровень жидкости H i в резервуаре меньше расстояния H k, на котором установлен сигнализатор уровня жидкости, то с выхода сигнализатора на один из входов аналогового ключа поступает сигнал высокого уровня, при этом ключ закрыт. В момент, когда жидкость заполнит резервуар на высоту H k, с выхода сигнализатора будет сниматься

–  –  –

Сигналы I P, I а с выхода БПИ, соответствующие текущим значениям измеряемых с помощью датчика давления и датчика ускорения давления Pi a и ускорения аi поступают в соответствующие блоки вычислительной машины, где выполняются операции по определению Pi a, аi и Н i.

3.4 Особенности построения и принцип действия волоконнооптических систем измерения уровня жидкостных сред, реализующих новые способы измерения уровня жидкостных сред Разработана ВОИСУЖС и метод измерения, обеспечивающие более точные измерения уровня жидкостных сред в условиях движения (например, полета) при изменении угла наклона поверхности жидкости (в диапазоне 0…45 градусов) в емкости с использованием трех разработанных МВОУ, расположенных в углах треугольника (рисунок 3.18).

- МВОУ

–  –  –

ВОСИУЖС состоит из трех МВОУ S1, S2, S3, каждый из которых содержит n сигнализаторов (рисунок 3.19). В зависимости от уровня жидкости в емкости, на каждом из уровнемеров Si в контакте с жидкостью находятся mi сигнализаторов. С их выхода снимается оптический сигнал низкого уровня (говорят «сигнализатор сработал»).

Рисунок 3.19 – Графические построения к пояснению метода измерения уровня жидкости с помощью трех МВОУ С выхода остальных сигнализаторов снимается оптический сигнала высокого уровня (говорят «сигнализатор не сработал»).

При этом в общем случае m1m2m3. n оптических сигналов sij с каждого из уровнемеров Si по nООВ поступают на излучения ПИi, преобразующих n-приемников оптический сигнал в электрический бинарный сигнал: высокий уровень электрического сигнала (логическая “1”) соответствует минимальному уровню оптического сигнала, а низкий уровень электрического сигнала (логический “0”) - максимальному уровню оптического сигнала (рисунок 3.20). Далее сигналы поступают на преобразователи дискретного сигнала в число (ПДС), которые работают следующим образом: на входе ПДС i n-линий (номера линий совпадают с порядковыми номерами сигнализаторов в измерителе, номер 1 соответствует самому нижнему сигнализатору), принимающие значение “0” или “1” в зависимости от наличия сигнала на линии, на выходе получают число Ni, соответствующее максимальному номеру линии из числа принявших значение «1». Разрядность N должна быть не менее [(log2n)]+1 в двоичной системе счисления.

ИИ - источник излучения; ПИ – приемник излучения; ЛУ - логическое устройство;

ОС - оптическая система; АУ - арифметическое устройство;

ПДС - преобразователи бинарного сигнала в число; МУ - масштабирующее устройство

–  –  –

Эти числа поступают на логическое устройство ЛУ, обрабатывающее предельные случаи:

а) если хотя бы одно из Ni=0, то уровень жидкости менее минимального, и результат измерения принимается равным «0», а также при необходимости выдается сигнал "низкий уровень";

б) если хотя бы одно из Ni=n, то уровень жидкости не менее максимального, и результат измерения принимается равным максимальному, а также при необходимости выдается сигнал "перелив".

При отсутствии описанных предельных случаев, выходной сигнал с каждого из ПБС, представляющий число Nj, поступает на арифметическое устройство АУ, которое суммирует эти числа, а затем делит сумму на 3 (по количеству МВОУ в системе). Результат этой операции: N представляет уровень жидкости в относительных единицах.

Для перехода к абсолютным результатам выходной сигнал с арифметического устройства АУ поступает на масштабирующее устройство МУ, где умножается на коэффициент k, определяемый в процессе калибровки ВОСИУЖС. Выбором данного коэффициента определяется также переход в необходимую систему измерений (масса, объем, уровень и т.п.).

На выходе масштабирующего устройства МУ получаем искомый уровень H жидкости в емкости.

Разработан алгоритм преобразования сигналов в ВОСИУЖС с модернизированным МВОУ (рисунок 3.21).

Рисунок 3.21 – Алгоритм преобразования сигналов в ВОСИУЖС с модернизированным МВОУ Так как дискретный принцип измерения разработанной ВОСИУЖС не обеспечивает требуемую точность измерения уровня жидкости, то предложено для непрерывного измерения уровня жидкости на нескольких уровнях емкости размещать ВОДГД, например, если емкость имеет высоту 20 м, то ее по высоте можно разделить на 10 секторов по 2 м и, соответственно, на каждом уровне установить ВОДГД, диапазон измерения которого соответствует данному участку.

При этом ВОДГД устанавливается на ту же трубу, на которой установлены ВОС (см. рисунок 3.21).

Для повышения точности измерения за счет уменьшения аддитивной составляющей погрешности измерения, обусловленной технологической погрешностью установки ВОДГД в емкости, предлагается ВОС с открытым ОЧЭ (см. рисунок 3.20а) использовать только в процессе калибровки перед началом эксплуатации системы, а для автокалибровки отдельных секторов в процессе эксплуатации применять модернизированные защищенные ОЧЭ (см. рисунок 3.22б).

Рисунок 3.22 - Конструкция ВОСУЖ многоточечного ВОУ: а - по патенту [1];

б - защищенного от агрессивного воздействия жидкости Известный МВОУ предназначен для дискретного измерения уровня жидкости, прозрачной для ИК-излучения, в нескольких точках емкости (как правило количество которых не превышает 20). Такие МВОУ нельзя использовать для измерения уровня непрозрачных жидкостей, например, нефти, так как возникает проблема нарушения прозрачности ОЧЭ:

поверхность сегмента прозрачного стержня постепенно покрывается пленкой, препятствующей реализации принципа действия, основанного на нарушении условия полного внутреннего отражения при изменении коэффициентов преломления сред в зоне контакта стержня с жидкостью [47]. Поэтому предлагается в конструкцию ВОС ввести упругий элемент, отделяющий ОЧЭ от жидкости. Возможны варианты его исполнения.

Например, упругий элемент может быть выполнен в виде сильфона 9 (или мембраны), поверхность глухого торца которого, обращенная к стрежню, выполнена поглощающей и расположена с малым зазором относительно крайней точки стержня (рисунок 3.20б). В этом случае ВОСаботает следующим образом. Если жидкость дошла до глухого торца упругого элемента, то за счет гидростатического давления сильфон 8 сожмется (мембрана 12 прогнется), при этом поглощающая поверхность глухого торца сильфона 8 (мембраны) контактирует с шаровым сегментом стержня

4. При этом происходит нарушение условия полного внутреннего отражения внутри стержня 4, и большая часть излучения выходит из стержня 4, оставшаяся меньшая часть по ООВ 3 распространяется до приемника излучения 7.

В ракетно-космической и авиационной технике, на АЭС и на других сложных инженерно-технических объектах, часто стоит задача измерения уровня искро-, взрыво-, пожароопасных жидкостей по всему объему емкости. Для этого используют датчики гидростатического давления (ДГД), располагаемые на дне емкости. Но ни один из существующих ДГД не рассчитан на измерение давления с высокой точностью в больших емкостях, что обусловлено конструктивными особенностями упругих мембран. Поэтому предлагается размещать волоконно-оптические ДГД на нескольких уровнях емкости, например, если емкость имеет высоту 20 м, то ее по высоте можно разделить на 10 участков по 2 м и, соответственно на каждом уровне установить ДГД, диапазон измерения которого соответствует данному участку. При этом волоконно-оптический ДГД устанавливается на ту же трубу, на которой установлены ВОС (рисунок 3.23).

–  –  –

Для повышения точности измерения за счет уменьшения аддитивной составляющей погрешности измерения за счет неточности установки ДГД в емкости, предлагается ВОСУЖ с открытым ОЧЭ (см. рисунок 1а) использовать только в процессе калибровки перед началом эксплуатации системы, а для калибровки отдельных участков в процессе эксплуатации применять модернизированный защищенный ОЧЭ (см. рисунок 3.22б).

Если происходит измерение уровня жидкости в условиях полета, то в емкость можно установить 3 и более ВОУ в вершинах треугольника (многоугольника). Такое техническое решение снижает погрешность, обусловленную углом наклона поверхности жидкости относительно горизонта.

Составными частями ВОСИУЖС являются волоконно-оптические датчики гидростатического давления аттенюаторного типа (ВОДГД) и блок преобразования информации (БПИ), соединенные посредством электрического разъема ЭР1 (рисунок 3.24). ВОДГД включает волоконнооптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП), волоконнооптический кабель (ВОК), согласующее устройство (СУ). Датчик подключается к регистрирующей аппаратуре посредством электрического разъема ЭР2.

Рисунок 3.22 – Блок схема ВОДГД

Общий вид ВОДГД приведен на рисунке 1.14.

ВОДГД включает волоконно-оптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП), волоконно-оптический кабель (ВОК), согласующее устройство (СУ). Датчик подключается к регистрирующей аппаратуре посредством электрического разъема ЭР2.

Чувствительный элемент 1 измерительного преобразователя выполнен в виде стаканообразной мембраны 2 с жестким центром из сплава 36НХТЮ. ВОК 3 предназначен для передачи светового потока от источника излучения 4 в зону измерения и обратно к приемникам излучения 5 и 6 и представляет собой жгут подводящего и отводящих оптических волокон двух измерительных каналов. СУ предназначено для преобразования электрического сигнала в оптический и оптического – в электрический и состоит из источника 4 и приемников излучения 5 и 6.

БПИ служит для питания элементов СУ и преобразования электрического сигнала с выхода СУ в стандартный электрический сигнал (0…6) В и состоит из сумматора, делителя и вычитающего устройства. В БПИ осуществляется операция деления сигналов первого и второго измерительных каналов с помощью делителя, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах ВОК, так как отношение не зависит от указанных факторов.

ВОДГД работает следующим образом. Часть светового потока источника излучения по ПОВ подается в зону измерения. Под действием измеряемого давления мембрана 2 прогибается, соответственно смещается в направлении Z аттенюатор 7, жестко на ней закрепленный, имеющий круглое отверстие. Смещение отверстия относительно оптических волокон ведет к изменению оптического сигнала Ф0. Часть оптического излучения поступает в ООВ первого измерительного канала, другая часть светового потока – в ООВ второго измерительного канала. Эти сигналы направляются на приемники излучения 5 и 6 соответственно, где преобразуются в электрические сигналы I1(Р) и I2(Р) соответственно.

Дальнейшие преобразования сигналов осуществляются в БПИ. На выходе БПИ снимается сигнал пропорциональный отношению.

I 1 ( P) I 2 ( P) I 1 ( P) I 2 ( P) Работа электрической части датчика рассмотрена по схеме электрической принципиальной (рисунок 3.23).

–  –  –

В качестве источника излучения используется светодиод 3Л107Б. В качестве приемников излучения используются фотодиоды ФД-256.

Через контакты 1 и 2 разъема Х1 источник инфракрасного излучения VD2 запитывается напряжением постоянного тока. Часть светового потока ИИ VD2, поступает в первый рабочий канал и по ОВ распространяется до фотоприемника VD1. Часть светового потока источника излучения VD2 поступает во второй рабочий канал и по ОВ распространяется до фотоприемника VD3. Фотоприемники первого и второго измерительных каналов работают в гальваническом режиме.

Световой поток светодиода VD1, проходит в зону измерения, подвергается определенному преобразованию в соответствии с алгоритмом, заложенным в конструкцию мембраны и волоконнооптического преобразователя давления в целом. В результате формируются два световых потока, которые из зоны измерения поступают на фотодиоды VD2 и VD3 первого и второго измерительных каналов соответственно, преобразуются в электрические сигналы I1(Р) и I2(Р) соответственно.

Основные выводы и результаты 1 Разработаны методики расчета основных конструктивных и энергетических параметров оптической системы измерительных преобразователей ВОСИУЖС, определены энергетические соотношения сигналов, обеспечивающие искро-взрыво-пожаробезопасность ВОСИУЖС.

2 Разработан модернизированный искро-взрыво-пожаробезопасный МВОУ жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, отличающийся наличием несколько ОЧЭ, оптические оси которых смещены относительно друг друга на требуемый уровень дискретности и перпендикулярны продольной оси несущей трубы малого размера, что обеспечивает снижение погрешности вариации при изменении направления движения границы раздела сред «газ-жидкость».

3 Разработаны ВОИСУЖС и метод измерения уровня прозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред, обеспечивающие более точные измерения уровня жидкостных сред в условиях движения (например, полета) при изменении угла наклона поверхности жидкости (в диапазоне 0…45 градусов) в емкости с использованием трех разработанных МВОУ, расположенных в углах треугольника.

4 Доказано, что уровень жидкости в сосуде произвольной формы, расположенном под произвольным углом к горизонтали, определяется по Z ( A) Z ( B) Z (C ) формуле H= Z ( M ), где Z(A), Z(B) и Z(C) – координаты, уровня, определяемые каждым из уровнемеров.

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД

4.1 Особенности технологической реализации экспериментальных образцов многоточечного волоконно-оптического уровнемера

–  –  –

где L – длина участка от ИИ (или ПИ) до емкости;

H – высота емкости (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации);

i – расстояние между ближайшими точками съема информации, i=1, 2,…, n – порядковый номер точки (рисунок 4.1);

2) равные по длине одно ПОВ 2 и одно ООВ 3 пропускают (начиная с самых длинных и далее последовательно по мере уменьшения их длины) через полые трубки 6 корпусов 5 (см. рисунок 4.1);

–  –  –

3) вклеивают оптические волокна 2 и 3 с помощью клеящего состава 12 во втулки 7 таким образом, чтобы рабочие торцы оптических волокон 2 и 3 были расположены в плоскости поверхности втулок 7, обращенных к наконечнику 8. Наличие клеящего состава 12 на рабочих торцах волокон 2, 3 не допускается;

4) торцы оптических волокон 2 и 3, закрепленных во втулке 7, полируют;

5) спеканием при высокой температуре жестко закрепляют стержни 4 в наконечниках 8 таким образом, чтобы сферические сегменты располагались с узкой стороны конусов наконечников 8, а плоскости других торцов стержней 4 совпадали с основаниями цилиндров наконечников 8;

6) втулки 7 устанавливают в паз 13 наконечников 8;

7) наконечниками 8 прижимают втулки 7 с оптическими волокнами 2 и 3 к одному торцу полых трубок 6 корпусов 5;

8) части 6, 7, 8 корпуса 5 в местах их соединений сваривают между собой сваркой 14;

9) внутренняя полость 15 собранных корпусов 5 заполняется герметиком 16 (на рисунке 4.1 не показан);

10) с помощью приспособления в виде крючка через отверстия 17 в трубе 9, начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе 9, протягивают свободные концы одного подводящего оптического волокна 2 и одного отводящего оптического волокна 3 последовательно, начиная с самых длинных, в сторону источников излучения 1 и приемников излучения 11;

11) корпуса 5 соединяют с трубой 9 в местах отверстий 17 с помощью сварки 18;

12) заглушкой 10 закрывают с нижнего конца трубу 9 и закрепляют с помощью сварки 19;

13) герметиком 21 (на рисунке 4.1 не показан) заполняют внутреннюю полость 20 трубы 9;

14) свободные торцы подводящих оптических волокон 2 подводят к источникам излучения 1, а отводящих оптических волокон 3 - к приемникам излучения 11.

Процесс сборки многоточечного волоконно-оптического уровнемера при установке в емкости Наиболее сложным представляется процесс сборки МВОУ, рассчитанного на измерения в емкостях большого размера, например высотой до 20 м. Для этого предлагается МВОУ собирать по секциям, соответствующим секторам, на которые поделена емкость (рисунок 4.2).

Этапы сборки следующие:

1) до спуска в емкость 1 секции 2 соединяют между собой стягивающими элементами 4 (например, стальной лентой) начиная с самой верхней секции, прикрепляя последовательно по одной секции, расположенной ниже, в кассету, причем длина LОВ технологического участка оптического волокна 5 между секциями определяется выражением:

LОВ l +l, (4.3) где l – половина высоты секции;

l – расстояние между секциями;

2) полученную кассету опускают в емкость 1, устанавливают ее на технологическую подставку 6, а самую нижнюю секцию закрепляют в элементе 3 крепления трубы 2;

3) снимают самый нижний стягивающий элемент 4;

4) поднимают оставшуюся кассету и переворачивают ее на 180 градусов по направлению стрелки, как показано на рисунке 4.2;

5) перевернутую кассету устанавливают ее на технологическую подставку 6, добавив дополнительную часть, высотой секции 2;

Рисунок 4.2 – Последовательность сборки МВОУ при установке в емкости

6) технологическую часть оптического волокна 5 скручивают в бухту и закрепляют в верхней части нижней секции (например, клеевым составом);

7) с помощью сварки соединяют нижнюю и следующую за ней секции трубы (для этого в нижней и верхней части трубы делают соответствующие технологические выступы);

8) повторяют операции 3) – 7) до тех пор, пока не будет установлена вся труба с установленными на ней измерительными преобразователями:

9) герметиком заполняют внутреннюю полость трубы 1;

10) заглушкой закрывают с верхнего конца трубу 1 и закрепляют с помощью сварки;

11) верхнюю часть трубы закрепляют с помощью элемента крепления 3 в верхней части емкости (например, или в крышке, или в специальном кронштейне, закрепленном на стенке емкости 1).

Предложенные конструкции ВОСИУЖС разработаны с учетом критериев технологичности, позволяющих использовать наиболее прогрессивные методы и средства изготовления и контроля, повысить надежность в работе.

Определены следующие критерии технологичности:

- количество технологических операций при сборке ВОСИУЖ;

- количество деталей, входящих в узел оптической системы;

- количество подходов при сборке, юстировке, настройке ВОСУЖС;

наличие специальной оснастки и точного оборудования.

Результаты сравнения конструкций по критериям технологичности представлены в таблице 4.1.

–  –  –

Таким образом, третий вариант ВОСУЖС имеет лучшие показатели технологичности.

4.2 Технологические процедуры и устройства юстировки приемо-передающей оптической системы волоконнооптической системы измерения уровня жидкостных сред Основные параметры ВОС и ВОДГД определяются расчетным путем (см. п.3.1). Стоит задача разработки технологических процедур юстировки и оптической регулировки приемо-передающей оптической системы ВОСИУЖС, а также подтверждения полученных теоретических расчетов путем проведения экспериментов.

На рисунках 4.3 и 4.4 приведены схема измерительной установки для снятия экспериментальных зависимостей W= f(Z) ВОПМП с предельным аттенюатором со специально разработанным оптическим тестером (рисунок 4.5) и общий вид устройства имитации микроперемещений соответственно, применяемые для осуществления процедур юстировки и оптической регулировки оптической системы ВОС и ВОПМП соответственно.

Данные установки могут быть использованы также для определения взаимного пространственного расположения оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле.

Экспериментальный образец установки для снятия экспериментальной зависимости ВОПМП с предельным W=f(Z) аттенюатором состоит из тестера оптического 1, блока питания 2, волоконно-оптического кабеля ВОК 3, соединительного электрического кабеля К1, устройства воспроизведения перемещения Z. Устройство воспроизведения перемещения Z включает в себя аттенюатор 4, микровинт 5 для задания перемещения по оси Z, основание 6, стойку 7 для крепления ПОВ 8, стойку 9 для крепления ООВ 10 (см. рисунок 4.4).

–  –  –

Тестер оптический 6 выполнен в виде малогабаритного переносного прибора и состоит из фотоэлектрического преобразователя ФП-0,85, усилителя-преобразователя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), электрооптического преобразователя СИД-0,85 и индикатора (рисунок 4.5).

–  –  –

Принцип действия тестера оптического основан на преобразовании электрического сигнала в оптическое излучение, направляемого в зону измерения, и оптического излучения, поступающего из зоны измерения на фотоприемник, в электрический сигнал. Оптическая мощность фиксируется в ваттах в диапазоне волн (0,85 ± 0,1) мкм.

На передней панели установлены индикатор питания 1, входной оптический разъем 2, выходной оптический разъем 3, разъем для подключения внешнего приемника излучения 4, переключатели диапазона измерения 5, разъем для подключения внешнего источника излучения 6, индикаторы измеряемой мощности излучения 7, ручка установки «нуля» 8 (рисунок 4.6).

На задней панели расположен разъем для подключения источника питания 9. Входной 2 и выходной 3 оптические разъемы предназначены для соединения с оптическими волокнами датчика, заключенными в стандартный наконечник диаметром 2,5 мм и длиной 8 мм. Кнопки переключения диапазона измерения 5 предназначены для выбора нужного диапазона измерения. Диапазон измерения оптической мощности изменяется за счет изменения коэффициента масштабирования усилителя.

–  –  –

Принцип действия оптического тестера основан на преобразовании электрического сигнала в оптическое излучение, направляемого в зону измерения, и оптического излучения, поступающего из зоны измерения на фотоприемник, - в электрический сигнал.

Измерение оптической мощности производится в ваттах в диапазоне волн (0,85 ± 0,1) мкм.

Измерительная установка работает следующим образом.

На тестер оптический 6 подается напряжение питания (12±5) В от внешнего источника постоянного тока Б5-6, который в свою очередь питается от сети переменного напряжения 220 В, 50 Гц.

Оптическое излучение с преобразователя СД-3Л107Б по ПОВ попадает на отражающую поверхность мембраны датчика. Световой поток, отражаясь от зеркальной поверхности мембраны, попадает в ООВ, по которым оптическое излучение поступает на преобразователь ФД-КФДМ.

Электрический сигнал (амплитуда) фотоприемника усиливается входным усилителем, поступает на вход АЦП. На выходах АЦП формируется 3,5разрядный цифровой код, значение которого соответствует измеряемой мощности в ваттах. С АЦП цифровой код поступает на устройство индикации, где отображается на полупроводниковых индикаторах.

Технологическая последовательность юстировки оптической системы ВОПМП аттенюаторного типа Для снижения отдельных составляющих основной погрешности разрабатываемых ВОДГД необходимо провести процедуру юстировки оптической системы ВОПМП, исходя из необходимости обеспечения оптимальных конструктивно-технологических параметров, определенных расчетным путем.

Для этого определены критерии оптимальной юстировки:

1 отсутствие вошедших из ИИ в ООВ лучей под углом, большим

–  –  –

Первоначально расчетно-конструктивным путем задается расстояние lрасч между ПОВ и ИИ, которое определяется размерами деталей и узлов.

Затем в процессе юстировки определяется экспериментальное значение данного расстояния lэксп, которое задается перемещением несущей детали с оптическими волокнами по осям X,Y и Z.

С помощью оптического тестера снимается оптическая мощность Wнастр при изменении начального расстояния l0 в диапазоне lmin… lmax (0…0,5 мм) в следующей последовательности:

начинаем с lmin;

1) При lmin фиксируем положение несущей детали с ОВ.

–  –  –

3) Повторяем пункты 1) и 2) еще несколько раз при l1, l2, …, lmax.

По результатам таблицы строится график, аналогичный приведенному в качестве примера на рисунке 4.8.

Из полученных трех кривых необходимо выбрать оптимальную, для которой и чувствительность была бы большая, и не было бы изменения оптической мощности W от радиуса изгиба R оптического волокна.

Проанализируем полученные кривые:

кривая 1

а) имеет максимальное значение W при отсутствии изгибов;

б) в тоже время при изменении Rизг резко меняется W;

кривая 2

а) значение W при наиболее характерных значениях изгиба (в процессе изготовления и эксплуатации не изменяется);

б) W несколько меньше, чем у кривой 1;

в) изгибы Rизг еще влияют на W;

кривая 3 (оптимальная)

а) имеет минимальное значение W при всех значениях,

б) но при этом изгибы Rизг не влияют на W.

–  –  –

Рисунок 4.8 – Графики зависимостей W=f() разных радиусах изгиба Rизг Вывод: Необходимо выбрать кривую 3, если W Wкрит, где Wкрит – допустимое минимальное значение начальной оптической мощности при котором датчик будет нормально функционировать при воздействии внешних влияющих факторов.

Данное значение определяется до начала процедуры юстировки.

В этом положении необходимо жестко зафиксировать светодиод относительно ООВ.

Для обеспечения выполнения второго и третьего условий необходимо отъюстировать узел «ПОВ – аттенюатор – ООВ», а именно определить расстояние Х0 от рабочего торца ВОК до МЭ, а также расстояние D между оптическими осями ПОВ и ООВ.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«51 Интеллектуальные системы управления УДК 656.25 А. Б. Никитин, д-р техн. наук, А. Н. Ковкин, канд. техн. наук Кафедра "Автоматика и телемеханика на железных дорогах", Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I УПРАВЛЕНИЕ СТРЕЛОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В КОМПЬЮТЕРНЫХ...»

«RCV Система дистанционного управления аппаратов DBS-100RC DBS-200RC РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Версия 1.0 РУССКИЙ Art. 10XXX CONTRACOR GmbH 42329 Wuppertal Germany Содержание 1. Техника безопасности. 3 2. Комплектация и описание. 4 3. Ввод в эксплуатацию. 8 4. Работапо абразивоструйной очистке. 9 5. Техническое обслужив...»

«112 НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ Серия Естественные науки. 2014. № 23 (194). Выпуск 29 УДК 661.185 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАЗЛИЧНЫХ МОЮЩИХ СРЕДСТВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЛОС 1 Проведены исследования воздействия различных моющих И.Ю. Жданова 1, Т.А. Крысанова 2 средств, среди которых 10% растворы индивидуальных поверхн...»

«ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2000. Т. 41, N5 81 УДК 534.222.2 СТРУКТУРА УДАРНЫХ ВОЛН В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ПРИ ВЗРЫВЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЗАРЯДОВ В ВОЗДУХЕ А. В. Пинаев, В. Т. Кузавов, В. К. Кедринский Институт гидродинам...»

«По вопросам продаж и поддержки обращайтесь: Email: evm@nt-rt.ru Web-сайт: www.emv.nt-rt.ru УЗА-10М.ДТ2 МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ И ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ, УПРАВЛЕНИЯ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ ДВУХОБМОТОЧНЫХ ТРАН...»

«КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА “УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ” Д.Ю. Погорелов Брянский государственный технический университет Рассмотрены методы и алгоритмы моделирования динамики технических систем путем представления их системой абсолютно твердых и деформируе...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕС...»

«РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СИГМА DSL версия 1.0 2009 г. СОДЕРЖАНИЕ НАЗНАЧЕНИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ СОСТАВ ИЗДЕЛИЯ И КОМПЛЕКТ ПОСТАВКИ КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРИБОРА УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ПОДГОТ...»

«Излагаются принципы построения и функционирования, сетей связи с подвижными объектами при использовании сотовой структуры зоны покрытия. Рассматриваются основы организации многостанционного доступа с различными видами разделения сигналов. Приводятся технические характеристики цифровых стандартов систем подви...»

«1964–2014 Э Т А П Ы 5 0 ОЕ ТЛО ЬО Ш АО ГГЭ СО Н Е ПГ ОУС ТТ ОИ " Б Л А "К М Э Р Р Й IV ГЛАВА ЗНАМЕНИТЫЕ БРИГАДИРЫ Яркие страницы в историю города Набережные Челны и строительства КАМАЗа, да и в историю двадцатого века вписали десятки тысяч энтузиастов, приехавших на челнинс...»

«УДК 629.7.017.1 УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ РЕЗЕРВИРОВАННЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ к.т.н. А.П. Зенин (представил д.т.н., проф. В.С.Харченко) Предложена многоярусная адаптивная мажоритарно резервированная...»

«НПО "СКАД"АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО ДИСПЕТЧЕРА руководство пользователя Подготовил Коробко А. В. Утвердил Степанов В. Е. Харьков, 2005 г 1 СОСТАВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АРМ диспетчера эскалаторов представляет собой комплекс программных и аппаратных средств для удаленного автоматизи...»

«Ф Е Д Е Р АЛ Ь НО Е АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ СВИДЕТЕЛЬСТВО об утв ерж ден и и типа средств измерений RU.C.32.004.A № 43848 Срок действия до 16 сентября 2016 г.НАИМЕНОВАНИЕ ТИПА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Преобразователи измерительные ПИ Т, ПИ TExi, ПИ С, ПИ CExi ИЗГОТОВИТЕЛЬ Общество с...»

«Московский Авиационный Институт (государственный технический университет) Курсовая работа на тему: Расчет основных параметров СПД Выполнил: студент гр. 02-412 Кутьин А.Ю. Проверил: Хартов С. А. Москва, 2007 Содержание : Введение..3 Принцип работы СПД..4 Расчет геометрических параметров...»

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА АНТИКРИЗИСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ: МЕХАНИЗМЫ ГОСУДАРСТВА, ТЕХНОЛОГИИ БИЗНЕСА УЧЕБНИК И ПРАКТИКУМ ДЛЯ АКАДЕМИЧЕСКОГО БАКАЛАВРИАТА Под...»

«Безупречные решения для промышленного производства BUCHEN Чистые решения для промышленных предприятий Системные услуги с учетом индивидуальных технических особенностей оборудования увеличивают эффективность работы наших заказчиков buchen.net Многолетний опыт межотраслев...»

«УДК 577.332 Обзорная статья МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДОКИНГ: РОЛЬ НЕВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ОБРАЗОВАНИИ КОМПЛЕКСОВ БЕЛКОВ С НУКЛЕОТИДАМИ И ПЕПТИДАМИ # © 2010 г. Т. В. Пырков*, **#, И. В. Озеров*, ***, Е. Д. Балицкая*, ***, Р. Г. Ефремов* * Учреждение Российской академии на...»

«УДК 378 ОСОБЕННОСТИ ИНТЕРАКТИВНЫХ ЗАДАНИЙ В СВЕТЕ КОММУНИКАТИВНО НАПРАВЛЕННОГО ОБУЧЕНИЯ ИНОСТРАННОМУ ЯЗЫКУ В ВУЗЕ Н.В. Агеенко1,2 А.А. Рыбкина22 Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 E-mail: L-2402@yandex.ru Самарский филиал М...»

«Владимир КАТКЕВИЧ Стукач на судне Запаренный третий механик в четыре часа утра вышел из машинной шахты после вахты и обнаружил у двери собственной каюты застывшего в известной позе пожарного матроса. Пожарник подглядывал...»

«№ 1 (33), 2015 Общественные науки. Социология УДК 316.443 Л. Ф. Каримова АДАПТАЦИОННЫЕ СТРАТЕГИИ БЕДНОГО НАСЕЛЕНИЯ В СОВРЕМЕННОМ РОССИЙСКОМ ОБЩЕСТВЕ1 Аннотация. Актуальность и цели. П...»

«ISSN 0536 – 1036. ИВУЗ. "Лесной журнал". 2007. № 2 111 ЭКОНОМИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА УДК 630*339.137.2 (100) А.П. Чистякова Чистякова Анастасия Петровна родилась в 1977 г., окончила в 2000 г. С.-Петербургскую государственную лесотехническую академию, ассистент кафедры маркетинга и осно...»

«ОКП 4213 СЧЕТЧИК ЖИДКОСТИ АКУСТИЧЕСКИЙ АС-001 Руководство по эксплуатации ЦПП9-0.00.00 РЭ 2001 г. СОДЕРЖАНИЕ Введение..3 1. Назначение..4 2. Технические требования..8 3. Устройство и принцип рабо...»

«199 УДК 628.32 ГИДРОЦИКЛОННЫЕ УСТАНОВКИ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ДЛЯ ЗАВОДНЕНИЯ НЕФТЕНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ НЕФТЕОТДАЧИ HYDROCYCLONE EQUIPMENT FOR PREPARATION OF WATER FOR INJECTION INTO OIL-BEARING HORIZONS WITH THE AIM OF INCREASING OIL RECOVERY Бусарев А.В., Селюгин А.С., Шешегова И.Г., Урмитова Н.С. ФГБОУ ВПО "Казанский государственный...»

«СЕКЦИЯ "ДИСКУРС И ТЕКСТ В МЕЖКУЛЬТУРНОЙ КОММУНИКАЦИИ" ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕЖЪЯЗЫКОВОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В НАУЧНОМ ДИСКУРСЕ (СФЕРА НАНОТЕХНОЛОГИЙ) ФроловаЛ.С.,ВяткинаИ.А. НациональныйисследовательскийТомскийполитехническийуниверситет Аннотация. В статье анализируются различные подходы к определению понятия "интерференция", освещается проблема...»

«PocketBook Basic 611 Руководство пользователя Содержание Меры предосторожности Внешний Вид Вид спереди 10 Вид сбоку 11 технические характеристики.13 приступая к работе Зарядка аккумулятора 14 управление питанием 15 Загрузка файлов в память устройства 17 навига...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.