Введение к работе
Актуальность работы. На практике часто встречаются задачи, связанные с необходимостью идентификации состава и измерением концентрации компонентов жидких смесей. Они возникают при контроле качества топливных смесей, автоматизации технологических процессов нанесения гальванических покрытий, в пищевой промышленности. В связи с тем, что в настоящее время не существует прямых методов идентификации состава и измерения концентрации компонентов, идентификация осуществляется с помощью косвенных методов на основе каких-либо свойств смесей, на которые оказывает влияние концентрация. Несмотря на то, что наиболее достоверным является химический способ определения состава, он имеет существенные недостатки, значительно сужающие область его применения. К ним относятся: большая длительность процесса измерения, сложность или невозможность полной автоматизации процесса измерения, наличие расходуемых химических реактивов, изменение свойств смесей под воздействием реактивов и другие.
В автоматизированном производстве для измерения концентрации компонентов и определения состава наибольшее применение нашли методы, основанные на зависимости физических свойств смеси от содержания ее компонентов. При этом существующие измерители концентрации компонентов и определители состава несмотря на существенные отличия в схемах и принципе действия не удовлетворяют потребителей по совместному выполнению требований к точности измерений, пассивности по отношению к среде измерения, способности работать в условиях сильных электромагнитных помех, в пожаро-, взрывоопасных и агрессивных средах. Большинство существующих измерителей концентрации компонентов и определителей состава являются крупногабаритными и стационарными.
От указанных недостатков в большей мере свободны оптические измерители концентрации компонентов и определители состава, для которых требования к пассивности по отношению к анализируемой среде и безопасности работы обеспечиваются применением элементов оптической техники при изготовлении чувствительных элементов измерительных преобразователей. При этом существующим оптическим измерителям концентрации компонентов и определителям состава присущи и недостатки, связанные с низкой чувствительностью и большой дополнительной погрешностью. Увеличение чувствительности за счет увеличения протяженности области взаимодействия оптического излучения с анализируемой смесью практически не дает эффекта, так как приводит к увеличению дополнительной температурной
погрешности измерения концентрации компонентов смеси. В связи с
вышеизложенным разработка прецизионного волоконно-оптического
преобразователя для измерения концентрации и определения состава
жидких сред (ПВП), отличающегося повышенной
помехозащищенностью и высокой чувствительностью на основе оптических чувствительных элементов, работающего в реальном масштабе времени, является важной и актуальной задачей. Разработка и исследование прецизионного волоконно-оптического преобразователя проводилось в рамках работ Московского государственного авиационного института по темам 1.40.91, 1.33.96, научно-технической программе Минобразования РФ фундаментальных и научных исследовании "Новые технологии и автоматизация производственных процессов в машиностроении", межвузовской целевой программе Минобразвания РФ по решению научно-технической проблемы "Новые принципы построения и разработка оптических процессоров, в том числе адаптивных" /шифр "Оптические процессоры"/.
Цель работы. Обеспечение прецизионного измерения
концентрации бинарных смесей и идентификации состава жидких сред в пожаро-, взрывоопасных условиях, при разработке автоматических систем регистрации параметров и управления процессами, работающих в реальном масштабе времени.
Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
анализ методов и средств идентификации состава и определения концентрации компонентов жидких сред и разработка функциональной схемы преобразователя, пригодного для прецизионного измерения концентрации компонентов агрессивных и пожаро-, взрывоопасных бинарных жидких сред и идентификации их состава на основе априорной информации;
разработка математической модели, описывающей свойства преобразователя в широком диапазоне показателей преломления анализируемых сред, содержащего грубый и точный каналы определения состава и измерения концентрации компонентов жидких сред;
исследование влияния изменения параметров преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред на его характеристики;
разработка алгоритма идентификации состава и измерения концентрации компонентов двухкомпонентных жидких сред по показателю преломления;
анализ влияния внешних дестабилизирующих факторов и технологических погрешностей на характеристики волоконно-
оптического преобразователя для измерения концентрации
компонентов и определения состава жидких сред; разработка методики расчета параметров волоконно-оптического
преобразователя для измерения концентрации компонентов и
определения состава жидких сред.
Методы исследования. В процессе выполнения работы применялись аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. Аналитические методы основывались на положениях теории связи световодов, волновой оптики, а также на теории погрешностей. Численные методы применялись при машинном моделировании волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред. Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна. Научная новизна заключается в разработке
адекватного математического описания взаимодействия
регистрируемого параметра с параметрами оптического излучения в связанных многослойных одномодовых коаксиальных световодах. Обосновано использование двухканальной схемы, включающей широкодиапазонный (грубый) и точный каналы, для измерения концентрации компонентов и идентификации состава жидких смесей. Установлена связь чувствительности прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления с его конструктивными параметрами и характеристиками, определены условия получения максимальной чувствительности. Получено аналитическое выражение функции преобразования чувствительного элемента прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления.
Практическая ценность. Разработана методика расчета параметров малогабаритных оптических преобразователей для измерения концентрации компонентов и идентификации состава жидких сред. Созданы малогабаритные, высокочувствительные преобразователи для измерения концентрации компонентов бинарных жидких сред и идентификации состава жидких сред на основе априорной информации, работоспособные в широком диапазоне изменения температуры и других внешних воздействий, безопасные и экологически безвредные. Исследовано влияние погрешностей изготовления чувствительного элемента прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления на его точностные характеристики. Проведена экспериментальная проверка разработанных преобразователей в автоматизированной системе комплексной оценки параметров топлива. Выработаны рекомендации по применению разработанных преобразователей для измерения концентрации компонентов бинарных
жидких смесей, определения состава жидких сред и комплексной оценки параметров топлива. Результаты работы внедрены в АО ОКБ им.А.С.Яковлева.
Автор защищает:
функциональную схему волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред;
математическую модель, описывающую в широком диапазоне изменения показателей преломления свойства волоконно-оптического преобразователя на основе управляемой связи двухканальных коаксиальных световодов, используемого для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред;
алгоритм ускоренного нахождения постоянных распространения оптического излучения в двухканальных коаксиальных световодах, не удовлетворяющих допущению слабой направляемости;
способ увеличения диапазона прецизионного измерения показателя преломления;
алгоритм идентификации состава и определения концентрации компонентов двухкомпонентных жидких сред по показателю преломления;
методику расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред;
рекомендации по использованию волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред, применяемого в автоматических системах регистрации параметров и управления процессами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
научно-технической конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем" /1990г, Севастополь/;
International Symposium on Automatic Control /1993, Moscow/;
Международном аэрокосмическом конгрессе /1994г., Москва/;
The Third BUAA/MAI International Symposium on Automatic Control /1995, Beijing/;
Третьей научно-технической конференции "Контроль и управление в технических системах" /1995г., Винница/;
научной конференции "XII Гагаринские чтения" /1996г., Москва/;
The Fifth International Symposium on Measurement and Control in Robotics /1996,Brussel/;
Шестой международной конференции "Информатизация систем безопасности" /1997г., Москва/;
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах ( в том числе 2 без соавторов ) и 11 научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных результатов работы. Изложена на 224 страницах машинописного текста, иллюстрированных 69 рисунками, имеет список использованных источников, включающий 54 наименования и приложения на 9 страницах.
