автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.06, диссертация на тему:Особенности организации амплитудных интеллектуальных датчиков

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

РГ6 од

ММ 139'. -^ЖЕ"""

ОЛЬХОВСКИЙ Алексей Геннадьевич

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ АМПЛИТУДНЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

05.11.06 — информационно-измерительные системы в атомной науке и технике

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва—1994

Работа выполнена в Российском Научном Центре "Курчатовский Институт", Институт Ядерных Реакторов.

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

Ю. А. Тарабрин. Офицальные оппонента: - доктор технических наук

Малков Я. В.

доктор технических наук Блаженков В. В. Ведущая организация - НПО "Измерительная тёхника" '

Защита диссертации состоится "_" _1994 г. в

"_" часов на заседании специализированного совета Д 034.04.06 при

Российском Научном Центре "Курчатовский Институт".123182 Москва, пл. Курчатова, д. 1, т. 196-96-78, т. 196-95-05. . '

С диссертацией можно познакомится в библиотеке Центра.

Автореферат разослан "_" __ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук '/-ш*^ г. с.И. Коняев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность. Первичные волоконно-оптические преобразователи в [стоящее время находят все более широкое применение в энергетике [агодаря возможности обеспечить бесконтактный контроль параметров [зличного энергетического оборудования в условиях сильных электролитных и радиационных полей, высоких температур, в агрессивных и ¡рывоопасных средах. При этом, как показывает практика, эффективным ¡ляется использование амплитудных рефлектометрических волоконно-оп-[ческих преобразователей (РВОП) с внешней модуляцией или рефлекто-¡трических зондов (РЗ) [1]. В преобразователях такого типа модуля-[я измерительного сигнала достигается за счет изменения интенсив->сти некогерентного, оптического излучения в разрыве волоконно-опти-¡ского канала. Они могут использоваться при бесконтактном контроле фаметров движения, контроле размеров, контроле сил. давлений и )угих механических величин, контроле' качества поверхностей объектов качества состояния сред.

Однако первоначальный оптимизм по поводу стремительного произ->дства и внедрения подобных первичных измерительных преобразовате-:й (ПИП) оказался преждевременным из-за наличия у них следующих ;обенностей: общей нелинейности функции преобразования, сложности тгоритмов коррекции систематической погрешности, необходимости тща-!ЛЬНой юстировки преобразователя [2]. Эти причины, а также сильная шисимость чувствительности ВОП.с внешней модуляцией от их длины шводят к необходимости разработки чрезвычайно громоздких и нетех-)логичных электронных устройств (блоков) обслуживания.для чувстви-гльных элементов (ЧЭ) такого типа. Кроме того из-за специфики РВОП, ги электронные устройства обслуживания должны быть размещены в не-зсредственной близости от: ПЙГГ.

Быстрое увеличение степени интеграции, снижение стоимости и зеличенив: надикости: электронных компонентов, возможность интеллек-даизаши- средств- измерений благодаря введению в их состав мик-э~-ЭВМ' коренным образом изменили подход к проблеме создания средств змерений на базе ВОП с внешней модуляцией [3]. При этом микро-ЭВМ в зставе электронного блока выполняет Функции управления процессом змерения, контроля работоспособности устройства в целом, обработки змерительного сигнала и передачи результатов измерений на более вы-экий уровень или индицирующее устройство. Используя для построения пектронного блока современные аналоговые и цифровые интегральные

схемы большой и сверхбольшой интеграции, можно создать сложные и то же время надежные интеллектуальные датчики (ИД) с РЗ в качест! ЧЭ (ИДРЗ). При этом огромное значение наряду с вопросами конструирс вания ЧЭ и вспомогательной электроники имеет разработка алгоритме работы прибора и их реализация в виде программного обеспечения (ПС для микро-ЭВМ электронного блока.

Цель работы. Разработка и практическая реализация методов улу шения метрологических и функциональных характеристик ПИП с РВОП качестве ЧЭ за счет их интеллектуализации.

Научная новизна работы заключается в

- обосновании оптимальности концепции построения первичных и: мерительных преобразователей на базе амплитудных рефлектометричесю ВОП с внешней модуляцией как интеллектуальных датчиков:

- разработке и исследовании методов и алгоритмов автоматичесш коррекции систематической погрешности и способов расширения рабоче] участка ИД с ВОП в качестве ЧЭ;

- исследовании дополнительных функциональных возможностей ПИП ВОП в качестве ЧЭ при использовании в их составе микропроцессоры средств;

- разработке принципов автоматической адаптации РВОП:

Положения, выносимые на защити.

1. Обоснование обобщенной "структуры интеллектуального рефлекп метрического датчика для промышленной эксплуатации.

2. Аппаратно-программные методы расширения рабочего участка и теллектуальных рефлектрометрических ВОП аксиальных и ортогональш перемещений:

- за счет использования нелинейных областей функции преобраз» вания РВОП;

- за счет использования восходящего и падающего участков фуга ции преобразования ЧЭ при -формирования общего рабочего участка ИДР:

- благодаря обработке сигналов при использовании в качест! чувствительного элемента трикоаксиального световода.

3. Аппаратно-программный способ увеличения разрешающей спосо> ности рефлектометрических интеллектуальных ВОП аксиальных и ортоп нальных перемещений методом компенсации.

4. Аппаратно-программные методы автоматической коррекции сист! матической погрешности ИДРЗ:

- метод с использованием виртуального отражателя;

- метод с использованием трикоаксиального световода;

- метод приращений:

- с использованием оптической плоскопараллельной пластины.

5. Оптимальность предложенного метода задания корректирующего эздействия при реализации алгоритмов автоматической коррекции ин-еллектуальных рефлектометрических ВОП.

6. Методы построения интеллектуальных РВОП с возможностью адап-ации ЧЭ на базе схемы коррекции с искусственным избыточным каналом.

Практическая ценность работы. Результаты, полученные автором в оде подготовки диссертации, могут быть использованны при создании нтеллектуальных приборов, построенных на базе амплитудных волокон-о-оптических преобразователей с внешней модуляцией и ИИС на их ос-ове. В РНЦ "КИ" разработано семь приборов подобного класса, пред-азначеных для бесконтактного контроля параметров механических мик-оперемещений (в том числе и периодических) различного энергетичес-ого оборудования (смещение фундамента ЯЭУ. амплитуда и частота виб-ации циркуляционных насосов второго контура ВВР и т.д.). Один из тих приборов - интеллектуальный виброметр ВЩ-1 - экспонировался на ;еждународной выставке ОПТИКА-92. На базе ИДРЗ построена ИИС контро-[я биений вала и величины воздушного зазора между статором и лопатами ротора гидрогенератора - ОСКОП. Сейчас ОСКОП проходит комплексов испытания и метрологическую аттестацию на испытательных стендах [ИИС и Сходненской ГЭС.

Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, докидывались на IV международной конференции по волоконной оптике и 'елекоммуникационным системам "¡ЭРОС'93" (Санкт-Петербург, 1993). IV Негодной Научно-технической Конференции Ядерного Общества (Нижний (овгород, 1993) и опубликованы в 6 работах в виде препринтов РНЦ и :рудов конференций. . Во всех опубликованных работах личное участие штора заключалось в разработке методов улучшения характеристик и ¡пособов организации интеллектуальной аппратуры для обработки изме-жтельного сигналов от ВОП.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 95 наимено-заний, списка сокращений и условных обозначений и содержит 220 страши, включая 42 страницы с 101 рисунком и 9 страниц с 13 таблицами.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

. В первой главе рассмотрены этапы становления ИД, начиная с ид размещения элементарного электронного блока обработки в непосред твенной близости от ЧЭ и до вопросов интеграции микро-ЭВМ и ЧЭ вну ри одного кристалла [4]. Микро-ЭВМ в составе ИД выполняет большин тво управляющих и вычислительных функций. Это позволяет ИД обеспеч вать следующие новые качества (по сравнению с традиционными ПИП):

1. Уменьшение объема линий связи в ИИС на базе ИД;

2. Контроль функционирования датчика в процессе эксплуатаци: допусковый контроль;

3. Адаптации датчика к индивидуальным особенностям используем го ЧЭ;

4. Адаптацию структуры и параметров датчика к условиям конкре1 ной задачи;

5. Возможность оценки внешних влияющих факторов с помощью всп' могательных чувствительных элементов и компенсацию воздействия эп факторов на результат измерений;

6. Автоматическую коррекцию и периодическую автоматическую к< либровку измерительного тракта;

7. Возможность запоминания и хранения априорной информации < исследуемом процессе и ее использование при обработке текущей изи< рительной информации (в том числе при проведении косвенных измер( ний);

8. Уменьшение избыточности полученной измерительной информащ путем исключения непредставительных выборок, а также усреднение пс лученных результатов, оценку среднего квадратического отклоненш классификацию, перекодирову и т.д.:

. .9. Простоту организации измерительных систем, на базе ИД;

10. Уменьшение стоимости и увеличение надежности измерительи устройств.

Таким образом, в качестве ИД можно рассматривать ПИП. обеспеч! вающий автоматическое согласование собственных параметров с парамет рами источника сигнала и внешними условиями, а также автоматичесм контроль собственного функционирования и компенсацию основных сос тавляющих погрешности путем обработки поступающей информации.

..".В главе рассматриваются свойства и структура ИД. особенное! конструкции отдельных узлов этих устройств на базе современнс

лектронной базы [5]. Особое внимание уделено универсальным микро-:онтроллерам высокой производительности - однокристальным микро-ЭВМ ОЭВМ) [6]. которые, благодаря простоте применения и легкости сопря-:ения с другими интегральными микроэлектронными компонентами, могут шъ использованы в качестве базового ядра ИД. Рассматриваются осо-¡енности использования контроллеров управления данными (например. :емейство MCS-51 по классификации фирмы Intel, США) и управления [роцессами (например, семейство MCS-96) [7].

Наиболее важным из всех преимуществ ИД является значительное ювышение метрологических характеристик по сравнению с традиционными [реобразователями. Анализ литературы показывает, что при применении [Д погрешность измерений уменьшается в 5-10 раз по сравнению со слу-[аем применения "традиционных" измерительных преобразователей [4].

Столь высокие метрологические характеристики обеспечиваются как ia счет размещения блока обработки в непосредственной близости от ЧЭ [ минимизации длины линий сопряжения между его узлами и компонента-и. так и благодаря возможности цифровой обработки сигнала с помощью мкро-ЭВМ ИД.

Решение задачи самоконтроля ИД является достаточно важной проб-1емой при организации процесса получения высоконадежной измеритель-гай информации. Режим самодиагностики позволяет микро-ЭВМ локализо-¡ать неисправность не только в цифровых, но и в аналоговых цепях ИД часто достаточно точно, вплоть до конкретной ИМС).

При использовании ИД в составе ИИС происходит переход от тради-[ионного централизованного принципа управления к системам с децент-)ализованным управлением. В таких системах происходит высвобождение [ентральной ЭВМ верхнего уровня от задач, связанных с управлением гроцессом измерения для каждого из обслуживаемых ЧЭ (часто подобные ИС включают ИД различного вида с ЧЭ для различных физических вели-1ин). корректировкой получаемых данных, хранением индивидуальных ка-шбровочных констант и т.д. Это способствует увеличению производи-■ельности ИИС, построеных на базе ИД.

Вторая глава посвяшена особенностям построения РВОП [8].. Расс-итриваются физические основы и структуры основных типов таких ЧЭ -ЮП с непосредственными связями и гибридных РВОП. а 'также внешний ¡ид. механизм формирования и свойства их функций преобразования, 'ассматриваются параметры, характеризующие функцию преобразования РЗ ! база, начальное рабочее растояние. рабочий участок, коэффициент )ормы и т.д.). Подробно рассмотрено многообразие измерительных схем

S

РЗ. Поскольку свойства РВОП определяются прежде всего характеристиками отражающей поверхности, подверженной воздействию измеряемой величины, и конструкцией оптического канала преобразователя, предложена классификация измерительных схем таких ЧЭ. в основе которой лежит соотношение между диаметрами торца рефлектометрического волоконно-оптического ЧЭ и характерным размером поверхности отражения.

Дан обзор особенностей и основных эксплуатационных характеристик элементов, используемых при построении РВОП:

- источников излучения ( ламп накаливания, газоразрядных ламп, полупроводниковых светодиодов и лазеров);

-приемников излучения (фотодиодов и фоторезисторов):

- волоконно-оптических каналов.

Подробно исследуются источники, структура и характер погрешностей РВОП. а также описываются известные способы их исключения, используемые при построении средств измерений на базе РЗ. Отмечено, что. как показывает практика, наиболее существенный вклад в величину общей погрешности РВОП вносят мультипликативная составляющая систематической погрешности. Разделение ее на инструментальную и методическую позволяет определить подходы к способам коррекции результата измерений, проводимых с помощью РЗ.

Особое внимание уделено исследованию методов исключения дополнительных погрешностей РВОП (температурная, засветка и т.д.).

В третей главе на основе анализа принципов построения и конструктивных особенностей РВОП. изложенных в предыдущей главе , предлагается и обосновывается оптимальность обобщенной структуры измерительного тракта ИДРЗ. Помимо основного ЧЭ. она включает источник питания источника излучения (ИПИИ). устройство согласования приемника излучения (УСПИ), аналого-коммутационный тракт (АКТ) и микро-ЭВМ. ИДРЗ компенсационного типа часто имеют в своем составе блок реализации корректирующего воздействия (БК). Его конструкция определяется выбранным методом компенсации и принципом его реализации.

Микро-ЭВМ ИДРЗ осуществляет управление и обмен информацией с узлами ИПИИ.БК и АКТ в соответствии с выбранным измерительным алгоритмом. Наиболее удобно (как уже отмечалось) использование в составе микро-ЭВМ ИДРЗ однокристальных микроконтроллеров реального времени для управления процессами (например, ОЭВМ семейства MCS-96 фирмы Intel, США). Эти приборы имеют в своем составе наряду с высоко производительным процессором множество функциональных узлов, необходимых для реализации большинства блоков структурной схемы измеритель-

ного тракта ИДРЗ. К таким узлам относится перестраиваемый АКТ (в его составе 10 разрядный АЦП, 8-канальный коммутатор и устройство выборки/хранения (УВХ)); узлы ШИМ и специального "быстрого вывода" позволяют легко организовать 8-12-разрядный ЦАП. который может быть использован для организации цепей коррекции в составе ИЛИИ ИДРЗ компенсационного . типа; встроенные двунаправленные порты ввода-вывода, позволяют обеспечить управление с помощью логических сигналов различными перестраевыемыми измерительными схемами.

ИДРЗ может обслуживать несколько фотодетекторов и источников излучения в зависимости от конструкции ЧЭ и измерительной схемы (например, в двухволновых нефелометрических приборах или при использовании некоторых схем коррекции) . В этом случае в составе ИДРЗ включаются многоканальные узлы ИПИИ. УСПИ и АКТ.

Структура ИПИИ для ИДРЗ'-определяется характеристиками источника излучения РВОП и особенностями алгоритма измерений. Часто в составе ИДРЗ используют ИПИИ. который обеспечивает работу источника излучения с различной интенсивностью свечения. Это позволяет реализовать введение корректирующего воздействия в измерительный тракт ИДРЗ при реализации алгоритма коррекции функции преобразования РВОП. Далее подробно рассматриваются особенности построения на базе современных электронных компонентов ИПИИ для различных типов источников излучения, используемых в ИДРЗ (светодиоды. лампы накаливания, полупроводниковые лазеры).

УСПИ является обязательным промежуточным звеном между приемником излучения и АКТ. Оно предназначено для их электрического согласования и реализации режимных особенностей функционирования фотоприемника. При разработке УСПИ ИДРЗ нелинейность световой характеристики и широкий динамический частотный диапазон не являются определяющими факторами в силу специфики микропроцессорных средств измерений, принципы построения которых, базируются на получении измерительной информации из анализа сигнала. При этом на первый план . выступает создание УСПИ с максимальной обнаружительной способностью (максимальным отношением сигнаЛ/шум) и минимальной зависимостью характеристик от температуры. Далее описываются способы организации УСПИ для ИДРЗ на базе полупроводниковых фоторезисторов и фотодиодов.

В четвертой главе обсуждаются способы улучшения характеристик датчиков прямого преобразования с РВОП в качестве ЧЭ благодаря их интеллектуализации.

Так. применение микро-ЭВМ в составе электронного блока обработ-

ни ИДРЗ позволяет существенно расширить их функциональные возможное ти:

- возможно создание многофункциональных устройств для одновре менного контроля нескольких величин;

- возможно получения математических функций измеренных значений

- расширяются измерительные возможности за счет использования косвенных измерений:

- возможна статистическая обработка измерительной информации;

Приведены практические примеры, подтверждающие актуальность

возможность реализации на базе интеллектуального электронного блок каждого из перечисленных выше пунктов в отношении РВОП. Важное мест в этом аспекте занимает проблема создания дешевых ПИП для контрол параметров вибрации. ИДРЗ может быть использован для ситуаций, в ко торых по той или иной причине нельзя использовать пьезоакселеромет ры. К примерам таких областей применения относятся измерения механи ческих колебаний легких конструкций, объектов с повышенной темпера турой поверхности, недоступных объектов, объектов с недопускающим механический контакт поверхностями, мйлых конструкций, объектов, на ходящихся под высоким электрическим потенциалом или имеющих радиоак тивно загрязненные поверхности, живых тканей, вращающихся объекто (например, валов, роторов и другого машинного оборудования, не до пускающего остановку для крепления вибродатчика), измерения механи ческих ударов, сотрясений и др. Необходимость измерений механически колебаний в перечисленных выше и им подобных ситуациях часто ветре чается в различных отраслях промышленности.

Приведен пример интеллектуального портативного виброметра ВЩ-[9,10]. Он состоит из коаксиального РЗ и интеллектуального электрон ного блока обработки, построенного на базе ОЭВМ КР1816ВЕ31 (МСЗ-51) Прибор в соответствии с ПО, расположенным в ППЗУ микро-ЭВМ, выполня' ет:

- автоматический поиск рабочей зоны на функции преобразования ЧЭ;

- контроль значения уровня измерительного сигнала в базе функци преобразования и соответствующую этому уровню коррекцию рабоче] зоны и коэффициента преобразования;

- регистрацию максимального значения амплитуды и регистрацию час тоты вибрации:

- калибровку измерительного тракта и коррекцию измерительных сиг налов в соответствии с результатами калибровки;

- усреднение результатов эксперимента;

<

- диагностику всех узлов прибора.

ВЩ-1 может работать как в стационарном режиме, регистрируя па-аметры вибрации относительно места расположения РЗ. так и в ручной «жиме, работая в качестве виброщупа.

Возможно использование ВЩ-1 в качестве ИД с составе ИИС, напри-iep. на линии с ПЭВМ типа IBM PC. Программное обеспечение, разработанное для такой системы, позволяет производить динамические измере-ш параметров виброперемещений, используя высокопроизводительный ipoueccop и развитую периферию компьютера. Особенно интересными федставляются возможности по исследованию спектров стационарных фоцессов виброперемещений.

Вопрос о расширении рабочего участка ИДРЗ аксиальных и ортого-тьных перемещений является достаточно важным как при построении ТИП для измерения линейных перемещений, так. и для датчиков контроля зиброперемещений. Это связано с тем обстоятельством, что от величины рабочего участка зависят многие метрологические и эксплуатационные характеристики приборов, имеющих РВОП в качестве ЧЭ.

Существует несколько решений, которые позволяют увеличить протяженность рабочего участка. Их можно разделить на конструктивные и конструктивно-программные. К первым относятся метода, связанные с изменением геометрических параметров оптического канала РВОП с непосредственными связями (например, увеличение площади торца приемного световода), и применение ГВОП . Однако решение задачи расширения рабочего участка только конструктивными методами приводит к ухудшению других метрологических характеристик приборов с РЗ . Прежде всего это относится к разрешающей способности и порогу чувствительности. так как расширение рабочего участка в этом случае достигается за счет снижения чувствительности РВОП. К более эффективным результатам приводят конструктивно-программные решения, которые позволяют расширить рабочий участок ИДРЗ без значительного ухудшения основных характеристик. к таким методам можно отнести:

1. Метод увеличения рабочего участка ИДРЗ за счет использования нелинейных областей функции преобразования. Этот способ является чисто программным и не требует изменений в конструкции или аппаратной части ИДРЗ. Задача микро-ЭВМ при его реализации заключается в аппроксимации зоны нелинейности и приведение значения выходного сигнала фотоприемника к физической величине благодаря вычислениям по выбранному алгоритму.

2. Метод использования восходящего и падающего участков функции

преобразования ЧЭ для формирования общего рабочего участка ИДРЗ. Лш решения этой задачи необходимо иметь индикатор положения торца Р: относительно базы функции преобразования. Он может быть реализовш благодаря использовании управляемого от микро-ЭВМ источника искусственной фоновой засветки, выполненного, например, в виде лампы накаливания.

3. Метод расширения рабочего участка ИДРЗ аксиальных перемещений путем введения в измерительную схему избыточного оптического канала в виде трехпучкового коаксиального световода или трикоаксиала (представляется наиболее перспективным). При идентификации рабочего участка ИДРЗ с таким ЧЭ можно обойтись и без управляемой фоновой засветки. При этом критерием выбора рабочего участка трикоаксиально-го ЧЭ является отношение величины сигнала. получаемого от первого приемного канала трикоаксиала. к значению сигнала от второго приемного канала. '

В интеллектуальном виброметре ВЩ-1С [5] реализованы первые два метода расширения рабочегс участка ИДРЗ. Этот прибор построен на базе ГВОП и ОЭВМ типа КР1830ВЕ31 и отличается от ВЩ-1 значительно увеличенными начальным рабочим расстоянием и рабочей зоной, малым энергопотреблением и более высокой надежностью.

• Одним из конструктивных путей расширения рабочего участка ИДРЗ является применение в его составе ГВОП. Однако чувствительность ГВОП ниже чувствительности РВОП с непосредственными связями. Использование в составе электронного блока РЗ микро-ЭВМ позволяет решить задачу сохранения значений порога чувствительности и разрешающей способности измерительного устройства в целом. Для этого необходимо реализовать схему компенсации части полезного сигнала фотоприемника.

Этот же принцип лежит в основе построения многопредельных ИДРЗ для контроля амплитуды вибраций. При использовании метода компенсации в ИДРЗ с гибридными ЧЭ можно увеличить протяженность рабочего участка на порядок по сравнению с обычным прибором, использующим РВОП с непосредственными связями,, сохранив при этом большинство метрологических характеристик, а иногда и улучшив их.

Одной из важных метрологических характеристик любого ПИП является величина допустимой дополнительной температурной погрешности 13]. При реализации в ИЛИИ схемы стабилизации мощности излучения введением опорного оптического канала основным источником дополнительной температурной погрешности ИДРЗ является фотоприемник. Описываются метода и схемы устройств для реализации температурной коррек-

ю

ции в ИДРЗ.

В пятой главе рассматриваются принципы автоматической коррекции систематической погрешности РВОП и особенности их реализации в ИДРЗ компенсационного типа. Показано, что для коррекции мультипликативной составляющей систематической погрешности удобно использовать факт наличия у функции преобразования РВОП точки перегиба. Если торец оптического канала РВОП располагается вблизи базы функции преобразования. то выходной сигнал преобразователя практически не зависит от расстояния до отражающей поверхности и определяется только неинформативными параметрами. Изменяя интенсивность потока излучения источника света преобразователя так. чтобы значение сигнала вблизи базы совпадало с максимальным значением номинальной функции преобразования, можно обеспечить коррекцию погрешности РВОП. Однако такой спо-. соб может быть использован только когда форма функции преобразования не зависит от воздействующих неинформативных параметров. Это возможно, если факторы, приводящие к изменению функции преобразования, входят в нее линейными сомножителями. Приведены результаты исследований коэффициента формы функций преобразования РВОП различных конструкций. Показаны преимущества РВОП коаксиальной конструкции с точки зрения неизменности формы функции преобразования при изменении раз-. личных неинформативных факторов.

Рассмотрены и классифицированы известные методы автоматической компенсации систематической погрешности РВОП [8.11]:

- метод опорного оптического канала;

- метод избыточного оптического канала;

- метод искусственного избыточного канала (коррекции в Движений), а также предложен ряд новых аппаратно-программных методов:

- метод с использованием виртуального отражателя;

- метод с использованием в качестве чувствительного элемента три-коаксиального световода;

- метод приращений;

- с использованием оптической плоскопараллельной пластины. Показано, что реализация, этих методов наиболее эффективна при использовании микропроцессорных средств в составе опто-электронного блока РВОП. Описаны устройства и алгоритмы для организации на базе этих методов ИДРЗ компенсационного типа. Показано, что интеллектуа-. лизация РЗ позволяет реализовать алгоритмы автоматической компенсации систематической погрешности с высокой ' точностью и ■ надежностью при минимальных затратах на-аппаратуру.

Качественный анализ методов автоматической коррекции позволил выявить относительную эффективность, быстродействие, сложность реализации, возможности и особенности применения каждого из методов.

Неотъемлемой частью большинства алгоритмов коррекции погрешности ИДРЗ является задание корректирующего воздействия. Под корректирующим воздействием понимают совокупность мероприятий, реализуемых микро-ЭВМ в составе ИДРЗ и направленных на компенсацию погрешности. Предложен оптимальный метод введения корректирующего воздействия при реализации алгоритмов автоматической коррекции ИДРЗ. Он заключается в отработке микро-ЭВМ датчика алгоритма последовательного приближения. При этом для грубого изменения коэффициента преобразования используется усилитель с цифровым управлением в фотоприемном тракте. Плавная подстройка осуществляется ЦАП. с помощью которого регулируется интенсивность потока источника излучения.

ИДРЗ аксиальных перемещений с искусственным избыточным каналом позволяет не только осуществлять коррекцию систематической погрешности. но также предоставляет возможность автоматической адаптации ЧЭ. Такое измерительное устройство не нуждается ни в предъявлении специальных требований к основным параметрам ЧЭ, ни в проведении каких-либо предварительных нормировочных мероприятий с РВОП, освобождает пользователя от рутинных операций по установке ЧЭ. При этом в качестве меры используется величина базы функции преобразования, а для ее поиска - особенности формы этой функции. Программное обеспечение ИДРЗ. выполняя последовательно операции по юстировке (настройке) ЧЭ, диагностике измерительной схемы, снятию номинальной функции преобразования, автоматически обеспечивает нормальную работу используемого ЧЭ.

В шестой главе приведены примеры реализации методов улучшения характеристик ИДРЗ компенсационного типа, изложенных в главах 4 и 5. Большинство приборов прямого преобразования, таких, как интеллектуальные виброметры ВЩ-1 и ВЩ-1С. описанные в главе 4. не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним в реальных условиях применения. Например: независимость показаний при возможных изменениях отражающих свойств поверхности, положение которой контролирует ПИП. изменении состояния оптической среды в зазоре между торцом ЧЭ. или временной и температурной нестабильности элементов самого используемого в ИД РВОП. При контроле перемещения движущихся и вращающихся объектов (поверхностей) часто даже предварительно нельзя гарантировать постоянства отражающих свойств поверхности на всех ее

участках, замыкающих оптическую измерительную схему в произвольно выбранный момент времени. Для работы в жестких условиях, связанных с возможностью произвольного изменения различных характеристик окружающей среды, а также параметров объекта контроля и ЧЭ во времени, наиболее оптимальным является использование устройств компенсационного типа [3].

Представлена структура универсального электронного блока для организации ИДРЗ контроля относительных аксиальных и ортогональных перемещений поверхности ВЩ-196. На ее базе можно построить ИДРЗ. реализующий любую из схем коррекции, перечисленных в главе 5.

На базе электронного блока ВЩ-196 разработаны три типа ИДРЗ:

1. ВЩ-196В. ИДРЗ типа ВЩ-196В обеспечивает контроль амплитуд относительных аксиальных и ортогональных виброперемещений различных технологических объектов. Он укомплектован РВОП с опорным оптическим каналом.

2. ВЩ-196Б. Этот ИД предназначен для контроля относительных радиальных биений вращающихся валов . гидрогенераторов. Максимальная контролируемая скорость вращения валов составляет 3200 об/мин. Поскольку отражающие свойства на различных участках поверхности вала, участвующих в формировании измерительного сигнала в произвольно выбранный момент времени, различны. ИДРЗ должен обладать достаточно высокими динамическими свойствами при реализации алгоритма коррекции. Поэтому прибор укомплектован трикоаксиальным РВОП.

3. ВЩ-1963. Предназначен для контроля величины воздушного зазора между статором и ротором гидрогенератора и так же использует три-коаксиальный РЗ.

Для проведения ресурсных испытаний энергетического оборудования и других исследований, связанных с анализом вибрационных процессов, разработан ИДРЗ типа ВЩ-2С. Этот прибор позволяет за счет использования метода коррекции в движении обеспечивать наиболее высокую точность при контроле параметров аксиальных и ортогональных виброперемещений.

В111-2С укомплектован гибридным РВОП и может использовать при работе все четыре участка функции преобразования. В качестве процессора используется микроконтроллер типа 80С196КС (МС5-96), значительно отличающийся от используемой в ВЩ-196 ОЭВМ 80С196КВ (МСБ-96) по метрологическим характеристикам АКТ. тактовой частоте и другим характеристикам. Прибор имеет возможность оперативно производить процедуру гармонического анализа контролируемых механических виброперемещений.

благодаря использованию ИМС перестраеваемого полосового фильтра тип, МАХ261 (фирма Maxim, США), и передавать его результаты в виде спектров к ПЭВМ верхнего уровня.

Важной задачей в области сельского хозяйства и мясо-молочно! промышленности является решение проблемы - экспресс-анализа состав; молока на содержание в нем белка и жира. В настоящее время процедур; получения этой информации достаточно сложна и трудоемка, для ее проведения требуется участие квалифицированного специалиста и применение специальных химических реактивов. В тоже время, физически! свойства и состав молока изучены достаточно подробно. Они позволяю': построить прибор для оперативного контроля процентного состава молока с использованием РЗ. Основным условием при этом является зондирование молока оптическим излучением в узких спектральных интервалах, длины волн которых соответствуют характерным эффективным размера» компонент молока (белка и жира).

Выбор концепции ИД при построения ПИП контроля состава молокг по методу спектральной селекции определяется следующими основным! причинами:

^ Зависимость тока фотоприемника от концентрации каждой из компонент молочной взвеси является нелинейной;

2. Уровень сигнала от фотоприемника, контролирующего излучение, рассеиваемое на компонентах взвеси, пропорционален мощности источника излучения. Поэтому для обеспечения достаточной точности измерения необходима стабилизация мощности источника излучения прибора на определенном номинальном значении (метод коррекции с использованием опорного оптического канала); ■

3. Диапазоны спектральной чувствительности обоих фотоприемникоЕ перекрываются. Поэтому необходима коррекция результатов измерений пс каждой из компонент.

Организация ИИС на базе ИДРЗ имеет ряд особенностей по сравнению с ИД других типов. Они определяются спецификой контролируемых величин (в основном механических) и условиями проведения измерений:

- необходимостью передачи информационных блоков больших объемов от единичных ИД к центральному устройству системы с целью визуализации. архивации и дальнейшей обработки спектральных характеристик исследуемых процессов;

- невысокими требованиями к скорости обмена между устройствами уровня и центральным ядром системы, вследствие относительно невысокой динамики регистрируемых процессов; " . .

- большой рассредоточенностыэ и удаленностью отдельных ИДРЗ от центрального ядра верхнего уровня и друг от друга (до 100 м):

- вероятностью наличия высокого уровня электромагнитных помех практически на всем протяжении линий связи между ИДРЗ и центральный /стройством ввода-вывода. Поэтому наиболее оптимальной при реализации ИИС на базе ИДРЗ является использование интерфейса типа "токовая петля" и конфигурации - структура типа "звезда". Для реализации такой конфигурации на базе ПЭВМ, используемой в качестве компьютера верхнего уровня, необходимы специальные устройства, выполняющие функции мультиплексирования одного из системных последовательных портов ввода-вывода компьютера. Приведена схема и описана работа подобного устройства.

Основным недостатком такой организации является участие центрального процессора ПЭВМ во всех операциях по обслуживанию каждого из абонентов. Избежать его позволяет интеллектуальная 15-канальная интерфейсная рабочая станция. Ее центральным узлом является микро-ЭВМ на базе микроконтроллера типа КР1830ВЕ31 (МСЗ-51), которая берет на себя все функции по обслуживанию абонентов и поддержке протоколов обмена, разгружая этим центральный процессор ПЭВМ.

На базе ИДРЗ ВЩ-196Б и ВЩ-1963. интеллектуальной рабочей станции, а также ПО для ПЭВМ верхнего уровня, выполненного с помощью пакета ЬаЬУипйоиэ, организована система контроля относительных перемещений валопровода ОСКОП. Она предназначена для контроля относительных радиальных перемещений валов.энергетических агрегатов и измерения величины воздушного зазора между полюсами ротора и статором генератора, анализа модовой структуры колебаний вала, а также выдачи оперативному персоналу соответствующих сигналов.о превышении допустимого отклонения зазора или биения вала.

3.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведен анализ современного состояния амплитудных РВОП с внешней модуляцией (принципы построения, измерительные схемы, специфика элементов конструкции, структура и источники погрешностей) ; и тенденций в области построения ИД (особенности структуры и конструктивных решений, методы достижения высоких метрологических характеристик. возможности системного использования). Предложена и обоснована оптимальность концепции построения ПИП:на базе амплитудных . ВОП как интеллектуальных датчиков.

2. Обоснована оптимальность построения ИД на базе ВОП по единой обобщенной . структуре интеллектуального рефлектометрического датчика для промышленной эксплуатации. Рассмотрены конструкции отдельных узлов обобщенной схемы и предложены оптимальные аппаратно-программные решения по каждому из них.

3. Разработаны аппаратно-программные методы расширения рабочего участка ИДРЗ аксиальных и ортогональных перемещений основанные на использовании:

- нелинейных областей функции преобразования .РВОП; '

- восходящего и падающего участков Функции преобразования ЧЭ при формирования общего рабочего участка ИДРЗ;

- обработки сигналов при использовании в качестве ЧЭ трикоакси-ального световода.

По всем методам предложены конкретные решения, большинство из которых реализовано в виброметрах ВЩ-1 и ВЩ-1С.

4. Разработан аппаратно-программный способ увеличения разрешающей способности ИДРЗ аксиальных и ортогональных перемещений методом компенсации.

5. Выполнен цикл работ по исследованию свойств функции преобразования РВОП аксиальных и ортогональных перемещений, в частности, по влиянию неинформативных факторов на ее форму. На основании этих работ произведена классификация и переложение известных методов автоматической коррекции аддитивной и мультипликативной составляющих систематической погрешности для использования их при построении

'средств измерения на основе микроконтроллеров и РВОП:

- метод опорного' оптического канала;

- метод избыточного оптического канала;

- метод искусственного избыточного канала (коррекции в движении), а также предложен ряд новых аппаратно-программных методов:

- метод с ислользованием виртуального отражателя;

- метод с использованием в качестве ЧЭ трикоаксиального световода:

- метод приращений:

- с использованием оптической плоскопараллельной пластины.

Произведенный качественный анализ и сопоставление методов автоматической коррекции позволили выявить неоспоримые достоинства метода коррекции в движении с точки зрения потенциально достижимой точности, и метода с использованием трикоаксиального световода, как обладающего наиболее высокими динамическими характеристиками. Резуль-

таты работы использованы при разработке серии ИДРЗ компенсационного типа - универсального электронного блока ВЩ-196, В1Д-2С. МЛ-1С.

6. Разработан оптимальный метод введения корректирующего воздействия при реализаций алгоритмов автоматической коррекции ИДРЗ. который реализован при построении универсального электронного блока ВЩ-196 и ИДРЗ типа ВЩ-2С..

7. Обоснована необходимость и предложены способы решения проблемы температурной стабилизации характеристик фотоприемников ЧЭ в составе ИДРЗ.

8. Намечены пути построения интеллектуальных рефлектометричес-ких ВОП с возможностью адаптации чувствительных элементов на базе схемы коррекции с искусственным избыточным каналом.

9. Рассмотрены особенности организации ИИС на базе ИДРЗ. Разработан ряд специальных устройств для построения подобных ИИС (мультиплексор порта последовательного порта ПЭВМ типа IBM PC и интеллектуальная рабочая станция). На их базе построена ИИС контроля биений вала и величины воздушного зазора между статором и лопатками ротора гидрогенератора ОСКОП.

ЛИТЕРАТУРА^

1. Окоти Т. и др. Волоконно-оптические датчики. - Л:г Энергоатомиз-дат, 1991.

2. Зак Е.А., Кравченко Н.П. Промышленное применение амплитудных волоконно-оптических датчиков. Измерительная техника - 1991 - N12 -с. 11.

3. Matevosov A.R., Olhovsky A. G.. Tarabrln Yu. А.. Scheglov S.I., Yudln I.L. Equlpment for Measurement of Médium and- Object Parametrs Based on Flber Reflectometrlc Problems.- Conferece Proceedlngs.ISFOC'93: Thlrd International Soviet Flbre Optícs and Telecomraunlcatlons Conference. St. Petersburg. Aprll 26-30. 1993. S. 304.

4. Тарабрин Ю. A., Ольховский А.Г. Интеллектуальные датчики как средство измерения: Препринт ИАЭ-5518/15. - М.,1993.

5. Андреев В.Н., Григорьев А.С.. Ефремов О.Д.. Игумнов Б.Н., Матево-сов А.Р..Ольховский А.Г., ПаньковА.С.. Романов В.П., Тарабрин Ю. А., Щеглов С.И.. Юдин И. Л. Автоматизация экспериментальных и технологических установок на базе микроконтроллеров: Препринт ИАЭ-5652/15. - М.,1993.

6. Григорьев А.С.. Ольховский А.Г., Щеглов С.И. Использование однокристальных ЭВМ в распределенных системах контроля и управления. -IV Ежегодная Научно-техническая Конференция Ядерного Общества, 28.06-2.07.1993, Нижний Новгород, Рефераты часть 2, с. 1272.

7. Щелкунов Н.Н. . Дианов А.П. Организация однокристальных микроконтроллеров./ Микропроцессорные средства и системы, N 5, 1989,76-82.

8. Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.:Энергоатомиздат,1989.

9. Григорьев А.С., Матевосов А.Р., Ольховский А.Г., Тарабрин D.А., Щеглов С.И. Оптоволоконный интеллектуальный виброщуп для контроля вибраций оборудования АЭС,- IV Ежегодная Научно-Техническая Конференция Ядерного Общества, 28.06-2.07.1993, Нижний Новгород, Рефераты часть 2, с. 1250.

' 10.Матевосов А.Р., Ольховский А.Г., Тарабрин Ю. А., Щеглов С.И.Интел-лектуальный виброщуп ВЩ-1: Препринт ИАЭ-5641/15. - М. ,1993.

11. Зак Е.А.Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией для активного контроля в машиностроении. Измерительная техника -4988 - ню - с. 16.