Введение к работе
Актуальность работы. Химическое производство - это комплекс сложных химических процессов, требующих высокого уровня развития систем контроля и управления различными технологическими операциями. Широкое применение контрольно-измерительных систем служит необходимым условием повышения производительности технологических процессов, обеспечения надежности и безопасности сложных химических производств, использующих агрессивные и взрывоопасные техноло гические растворы.
Однако для обеспечения контроля новых технологических процессов существующие традиционные методы зачастую непригодны.
При этом в большинстве случаев, особенно в опытных вновь создаваемых производствах определение параметров технологических растворов ведется либо визуальным методом, либо на основе лабораторных анализов, что значительно снижает надежность и оперативность контроля и тем самым делает его непригодным для систем управления.
В этой связи весьма актуальна разработка новых эффективных методов и средств контроля, отвечающих требованиям взрывобезопасности и обеспечивающих получение оперативной информации о ходе технологического процесса, что позволило бы использовать их как составной элемент АСУТП. По этой причине не случайно внимание к волоконной оптике, открывающей новые возможности в разработке самых разнообразных методов и средств контроля технологических параметров. Этот круг проблем определил актуальность выбранной темы диссертационной работы.
Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключается в решении следующих задач:
обоснование выбора волоконно-оптических методов для решения задач контроля параметров технологическоих растворов;
выбор основных физических принципов контроля параметров технологических растворов с применением волоконно-оптических преобразователей;
теоретическое исследование нерегулярных волоконных световодов, систематизация и классификация преобразователей на основе нерегулярных волоконных световодов;
экспериментальное исследование нерегулярных волоконных световодов и построение на их основе базовых первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов;
разработка методов проектирования и оптимизации конструкций первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов;
- создание и внедрение комплекса волоконно-оптических
приборов контроля параметров технологических растворов;
- изучение возможностей применения полученных результа
тов в смежных областях науки и техники.
Научная новизна работы состоит в следующем:
выработаны критерии, положенные в основу классификации амплитудных волоконно-оптических преобразователей, основанные на характере взаимодействия проходящего светового потока с внешней средой: отсутствие взаимодействия с внешней средой (изогнутые световоды), взаимодествие вдоль границы с внешней средой (поверхностно-нерегулярные световоды), прохождение светового потока через внешнюю среду (световоды с разрывом);
теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние параметров нерегулярных многомодовых световодов на характеристики амплитудных первичных преобразователей, выполненных на их основе;
получены аналитические выражения, описывающие зависимости коэффициента пропускания световода от радиуса изгиба для многослойных световодов, от длины чувствительного элемента для поверхностно-нерегулярных световодов;
разработаны инженерные методики для расчета и оптимизации конструкций волоконно-оптических первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов.
Научные положения, выдвигаемые на защиту.
-
Задачи оперативного контроля параметров многокомпонентных технологических растворов, отличающихся повышенной агрессивностью и взрывоопасностью, могут быть эффективно решены с использованием волоконно-оптических средств технологического контроля, основанных на методах спектрофотометрии и рефрактометрии.
-
Типы волоконно-оптических амплитудных преобразователей характеризуются видом взаимодействия проходящего светового потока со средой, т.е. видом нерегулярного световода, лежащего в основе первичного преобразователя, и в соответствии с этим критерием делятся на три группы: на основе деформированных световодов, на основе по верхностно-нерегулярных световодов, на основе световодов с разрывом.
-
Коэффициент пропускания изогнутого многослойного световода зависит от параметров каждого слоя и описывается выражением:
Tx(R) = l-tA'flaj
.=1 ;=;
4. Коэффициент пропускания поверхностно-нерегулярного световода зависит от длины L и показателя преломления и нерегулярного участка и описывается выражением:
r{ii, L) = A()i)exp{~2a{fi)L)
Практическая ценность работы рассматривается в трех аспектах во-первых, предложена классификация амплитудных волоконно оптических преобразователей, которая дает наглядное и систематизированное представление о возможных конструкциях первичных преобразователей каждого типа, указывает область задач, решение которых возможно с помощью данных преобразователей; во-вторых, сформулированы практические рекомендации и получены инженерные соотношения для расчета и оптимизации конструкций первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов; в-третьих, представлены практические результаты разработки комплекса волоконно-оптических приборов контроля параметров технологических растворов применительно к различным технологическим процессам химического производства. Показана возможность использования результатов работы в смежных областях науки и техники.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
на 7 и 8 Всесоюзных научно-технических конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1988, 1990 гг.
на Всесоюзной конференции "Волоконная оптика", Ленинград, 1990 г.
- на III Всесоюзной научно-технической конференции
"Электрический разряд в жидкости и его применение в промышлен
ности", Киев, 1984 г.
на 5 Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе", Барнаул, 1990 г.
на III Международной конференции "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов", Барнаул, 1994 г.
на 52-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета, Барнаул, 1994 г.
- на III юбилейной научно-практической конференции
"Научно-техническое творчество аспирантов и профессорско-
преподавательского состава", Бийск, 1995 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства.
Использование материалов работы в учебном процессе.
Материалы работы с 1992 года используются в учебных курсах специальности информационно-измерительная техника БТИ АлтГТУ: "Методы неразрушающего контроля", "Теоретические основы методов измерений", "Оптоволоконные средства в информационно-измерительной технике".
На базе разработанного измерительного комплекса проводятся лабораторные работы: "Датчик перемещений на основе изогнутого световода ", "Датчик микроперемещений на основе световода с разрывом", "Рефрактометр на основе поверхностно-нерегулярного световода".
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 120 страниц, в том числе 51 рисунок и 6 таблиц. Список литературы содержит 71 наименование.
