автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Технологические способы улучшения метрологических характеристик оптоэлектронных уровнемеров жидкостных сред

На правах рукописи

ГРАЕВСКИЙ Олег Станиславович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2010

4841633

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и в Научно-техническом центре «Нанотехнологии волоконно-оптических систем».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Мурашкина Татьяна Ивановна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мокров Евгений Алексеевич;

доктор технических наук, профессор Бурков Валерий Дмитриевич.

Ведущая организация - ФГУП «Научно-исследовательский институт электромеханических приборов» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится «/£_» января 2011 г., в часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим высылать по указанному адресу в двух экземплярах.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет». Автореферат диссертации размещен на сайте университета www.pnzgu.ru

Автореферат разослан » _2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В различных отраслях науки, техники и технологии (ракетно-космическая и авиационная техника (PK и AT), нефте- и газодобывающая промышленность, нефтехимия, гражданская авиация, трубопроводный, морской и железнодорожный транспорт, системы экологического контроля, медицинское приборостроение и др.) для различных задач социального, гражданского, оборонного значения необходимо иметь информационно-измерительные системы (ИИС) и промышленно-технологические комплексы (ПТК) для измерения различных физических параметров (температуры, давления, уровня жидкостных сред, линейных и угловых перемещений и др.).

Для создания новых образцов инженерно-технических объектов (ИТО), к которым относятся, например, авиалайнеры, гражданские самолеты, ракеты-носители, стендовые комплексы, резервуары с различным топливом, емкости с жидкостными средами, водяные баки и др., необходимо создание и внедрение новых ИИС и ПТК.

Непрерывное совершенствование различных ИТО, развитие ИИС и ПТК требуют решения традиционных задач и расширения областей исследования закономерностей протекания технологических процессов в экстремальных условиях эксплуатации, что, в свою очередь, требует создания высокотехнологичных, высокоточных, надежных, малогабаритных и экономичных средств для измерения параметров физических процессов как на этапе создания, так и в процессе эксплуатации ИТО. При этом определяющим фактором достижения высоких метрологических характеристик ИИС и ПТК является применение в их составе средств измерения (датчиков) с высокими метрологическими характеристиками, в том числе уровнемеров. Поэтому при создании новых ИИС и ПТК требуется создание более совершенных средств и методов измерения уровня жидкостных сред (ИУЖС).

Наиболее востребованы средства измерения уровня жидкостных сред в PK и AT, в системах налива/слива, учета нефтепродуктов, в системах водоснабжения питьевой и технической водой и в других задачах.

Известные отечественные и зарубежные фирмы-разработчики решают задачу ИУЖС в заданных диапазонах регистрации путем применения сложных дорогостоящих средств измерения, как правило, контактного типа. Примерами таких решений являются пьезорезистивный уровнемер типа DS фирмы SEBA Hydrometrie GmbH, тросиковые уровнемеры предприятия «Транснефть-автоматика», фирмы Enraf типа ATG854, фирмы Auxitrol типа 640-67, емкостные уровнемеры фирмы Whessol типа ITG-50. Эти средства измерения не отвечают возросшим требованиям по уровню метрологических характеристик, предъявляемым со стороны ИТО.

При решении данной задачи предпочтение отдается технологическим и информационно-измерительным средствам измерения уровня жидкостных сред, не требующим в процессе функционирования энергетического взаимодействия с

контролируемым объектом. Данному требованию наилучшим образом отвечают бесконтактные оптоэлектронные уровнемеры жидкостных сред (ОЭУЖС).

Анализ научно-технической информации и публикаций известных ученых в области оптической измерительной техники В. Б. Вайнберга, Л. Н. Воронцова, В. М. Гречишникова, В. Г. Жилина, Г. П. Катыса, Н. Е. Конюхова, В. Ф. Крапивина, А. Ю. Кузина, М. М. Мирошникова, Г. В. Меркишина, Т. И. Мурашкиной, В. Т. Потапова, Ю. Г. Якушенкова и др. показал, что для решения поставленной задачи необходимо применить способ регистрации информации, основанный на восприятии отраженного светового потока, несущего информацию об измеряемой физической величине. При этом возникает задача уменьшения влияния нелинейных изменений пространственных характеристик светового потока, ведущих к резкому снижению интенсивности оптического сигнала при перемещении границы раздела сред относительно рабочего торца уровнемера и соответственно к высокой погрешности линейности функции преобразования и снижению точности ИУЖС.

Существенным недостатком оптических средств измерений, в том числе уровнемеров, является зависимость мощности источников излучения (ИИ) и интегральной чувствительности и внутреннего сопротивления приемников излучения (ПИ) от температуры. Так, например, у серийно выпускаемых све-тодиодов типа ЗЛ107Б излучающая способность изменяется в интервале температур ± 50 °С на 20...30 %, а у фотодиодов ФД-19КК, ФД 20-32К, КФДМ разброс по чувствительности может достигать 10... 15 %. Подобный разброс энергетических характеристик приводит к большим температурным погрешностям (от 10 до 50 %), если не принять конструктивно-технологических мер для их снижения. При повышении или уменьшении температуры окружающей среды изменяются электрические параметры уровнемера, что приводит к возникновению температурной погрешности преобразования.

Для достижения требуемых метрологических характеристик при проектировании ОЭУЖС определяющими являются технологические вопросы, связанные с формированием определенной структуры светового потока, несущего полезную информацию. Актуальна задача совершенствования технологии проектирования, создания и изготовления новых образцов ОЭУЖС.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления бесконтактных оптоэлектронных уровнемеров жидкостных сред с улучшенными метрологическими характеристиками.

Научная задача, решенная в работе, - обоснование и разработка новых технологических методов, обеспечивающих существенное улучшение метрологических характеристик бесконтактных оптоэлектронных уровнемеров, реализующих амплитудно-фазовое преобразование перемещения границы раздела сред с разными коэффициентами преломления в электрический сигнал. Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: - проведение анализа известных методов и средств ИУЖС;

- разработка нового оптоэлектронного способа измерения уровня прозрачной жидкости;

- математическое описание процесса распределения светового потока в оптическом канале ОЭУЖС, реализующем новый способ ИУЖС;

- разработка математических и структурных моделей и алгоритмов преобразования сигналов в оптоэлектронных измерительных преобразователях уровня жидкости (ОЭИП) и амплитудно-фазовых ОЭУЖС (АФОЭУЖС);

- разработка конструктивно-технологических способов снижения температурной и суммарной погрешностей АФОЭУЖС;

- усовершенствование механизма линеаризации функции преобразования АФОЭУЖС;

- вывод функции преобразования и определение параметров оптической системы измерительного канала ОЭУЖС;

- разработка технологии юстировки приемо-передающей оптической системы ОЭИП, обеспечивающей необходимую пространственную структуру пучка, максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала, линейность функции преобразования, простоту юстировки элементов оптической системы;

- разработка методики проведения экспериментальных исследований ОЭУЖС.

Предмет исследований - технологические методы улучшения метрологических характеристик оптоэлектронных уровнемеров, предназначенных для бесконтактных ИУЖС в составе информационно-измерительных систем перспективных образцов ИТО различных отраслей промышленности, реализующих амплитудно-фазовое преобразование уровня жидкостной среды в электрический сигнал.

Методы исследований. При разработке математических моделей ОЭИП и ОЭУЖС применялись основные положения геометрической оптики, методы математической физики, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу ОЭИП и ОЭУЖС применялись положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием. Основные теоретические и технологические положения и результаты подтверждены экспериментальными исследованиями реальных действующих образцов ОЭУЖС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработан и экспериментально подтвержден новый способ измерения текущего значения уровня жидкостных сред, основанный на регистрации ин-

тенсивности отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на определенном расстоянии от излучающей поверхности оптической системы, светового потока, сходящегося относительно оптической оси приемной оптической системы.

2 Разработан и реализован новый технологический способ снижения температурной погрешности ОЭУЖС, основанный на применении амплитудно-фазового преобразования сигналов, введении дополнительного оптоэлектрон-ного компенсационного канала, использовании рабочих (РПИ) и компенсационных (КПИ) приемников излучения одного типа и расчете оптимального соотношения количества РПИ и КПИ, а также путем конструктивного исполнения КПИ относительно ИИ.

3 Разработан и реализован механизм линеаризации функции преобразования амплитудно-фазового ОЭУЖС, основанный на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной), в соответствии с которой изменяется рабочий сигнал на выходе измерительного преобразователя, и функции арктангенса, в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения рабочего и компенсационного сигналов.

4 Создана новая методика расчета основных параметров оптического тракта ОЭИП, учитывающая новые закономерности распределения светового потока в зоне измерения и связь диапазона измерения, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси ОЭИП и расстояния между ИИ и ПИ.

5 Созданы новые и усовершенствованы существующие способы улучшения метрологических характеристик АФОЭУЖС, основанные на:

- формировании одного гармонического сигнала, несущего измерительную информацию об уровне жидкостной среды, на РПИ приемом отраженного от зеркала светового потока ИИ, а другого - на КПИ приемом смодулированного в функции измеряемого параметра светового потока того же ИИ, а также формировании отношения данных сигналов, не зависящего от влияния дестабилизирующих факторов;

- реализации оптоэлектронного компенсационного канала;

- компенсации изменений сигналов, обусловленных противоположно изменяющимися мощностью ИИ и фоточувствительностью ПИ при изменении температуры окружающей среды;

- уменьшении интенсивности отраженного светового потока в начале диапазона измерения и его увеличении в конце диапазона измерения за счет формирования сходящегося к концу диапазона измерения светового потока и снижения потерь отраженного светового потока.

6 Разработана блочно-модульная структурная модель амплитудно-фазового ОЭУЖС, реализующая новую четкую технологическую последовательность преобразования сигналов, отличительной особенностью которой является ввод в конструкцию дополнительного компенсационного канала, обеспечивающего

снижение погрешности от изменения мощности излучения ИИ, обусловленного изменением температуры окружающей среды, колебаниями параметров питающего напряжения, временной нестабильности параметров ИИ, изменением чувствительности ПИ и др.

Практическая значимость работы:

1 Разработана и реализована новая технология исполнения АФОЭУЖС.

2 Выполненные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ, г. Пенза) теоретические и экспериментальные исследования обеспечили решение актуальной научно-технической и технологической задачи создания новых бесконтактных ОЭУЖС с улучшенными метрологическими характеристиками.

3 Проведенные исследования обеспечили формирование банка данных для создания новых образцов ОЭУЖС с улучшенными метрологическими характеристиками, позволяют перейти к их промышленному производству и внедрению в различных отраслях науки, техники и технологии.

Научная и практическая значимость исследований также подтверждается тем, что работы в настоящее время проводятся в рамках Федеральной космической программы Роскосмоса, «Комплексной программы НИР и ОКР по созданию средств измерений, контроля и диагностики для космических аппаратов, испытательных центров наземной экспериментальной базы на период до 2010 г.» в кооперации с ПГУ, ОАО «НПО Измерительной техники» (г. Королев, Московская обл.), ФГУП «Рубин» (г. Пенза), ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза).

Реализация результатов работы. Работа над диссертацией проводилась в рамках фундаментальных отраслевых НИР и ОКР Роскосмоса (темы «Миндаль», «Арахис», «Надежность», «Контроль» и др.), Федеральной космической программы России по созданию средств измерения, контроля, диагностики параметров РК и АТ и для других отраслей промышленности.

Основные результаты теоретических, технологических и экспериментальных исследований автора применены при создании ОЭУЖС с компенсационным каналом для ИУЖС в диапазонах 0...90, 0...125, 0...180, 0...250, 0...350, 0...500, 0...800, 0...1000, 0...2000 мм. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы ОЭУЖС: шифр ОЭУ-001, ОЭУ-002, внедренные на предприятии ОАО «НПО ИТ» (г. Королев, Московская обл.).

Элементы теории проектирования, материалы по расчету и проектированию ОЭУЖС использованы в НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», «Оптимизация конструктивных исполнений оптоэлектронных уровнемеров на основе формирования рационального распределения светового потока», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Теория измерений», преподаваемой студентам специальности 200100 «Приборостроение» в ПГУ.

Материалы по формализации процесса распределения мощности светового потока в пространстве ОЭИП использованы в проекте аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» по теме «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№2.1.2/937).

На защиту выносятся:

1 Технологическая последовательность преобразования оптических сигналов, обеспечивающая реализацию бесконтактного способа измерения текущего значения уровня жидкостных сред, основанного на регистрации интенсивности светового потока, сходящегося относительно оптической оси приемной оптической системы под некоторым углом, проходящего через первую среду с коэффициентом преломления, меньшим, чем коэффициент преломления второй среды, уровень которой измеряется, и отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на расчетном расстоянии от излучающей поверхности оптической системы.

2 Новый конструкторско-технологический способ снижения температурной погрешности ОЭУЖС, обусловленной изменением параметров источников и приемников излучения, основанный на применении амплитудно-фазового преобразования сигналов, введении оптоэлектронного компенсационного канала, применении РПИ и КПИ одного конструкторско-технологи-ческого типа и расчете определенного соотношения РПИ и КПИ с учетом конструктивно-технологического изменения положения КПИ относительно ИИ.

3 Математический метод и механизм линеаризации функции преобразования амплитудно-фазового ОЭУЖС, основанные на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной), в соответствии с которой изменяется рабочий сигнал на выходе измерительного преобразователя, и функции арктангенса, в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения рабочего и компенсационного сигналов.

4 Методика расчета основных взаимозависимых параметров оптического тракта ОЭИП, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне восприятия информации и связи диапазона измерения, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси ОЭИП и расстояния между ИИ и ПИ, при которых обеспечиваются улучшенные метрологические характеристики ОЭУЖС.

5 Технологические процедуры юстировки приемо-передающей оптической системы ОЭИП и технологическая последовательность настройки электрических параметров уровнемера в процессе сборки ОЭУЖС.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской

НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), НТС Росавиакосмоса, международной НТК «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе» («IT-SE 2001» «IT-SE 2002») (г.Ялта-Гурзуф, 2001, 2002 гг.), X Международном салоне «Двигатели-2008» (г. Москва, 2008 г.), I Российском инвестиционном форуме «Российским инновациям - российский капитал» и IV ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Чебоксары, 2008 г.), международной выставке «Helirussia-2008» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2008 г.), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009, 2010 гг.), международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2009, 2010 гг.), отраслевой НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы» (г. Королев, Московская обл., 2009 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 работах, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, поданы две заявки на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, шести приложений. Основная часть изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, восемь таблиц. Библиографический список содержит 103 наименования. Приложения к диссертации занимают 18 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи исследований, раскрыта научная и практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведены исследования и теоретическая проработка существующих методов и средств ОЭУЖС, которые показали, что в настоящее время требуются бесконтактные средства, позволяющие с высокой точностью выполнять процессы измерения уровня жидкостных сред при создании ИТО нового класса.

Модифицирован способ измерения ОЭУЖС, сущность которого заключается в том, что формируется световой поток, сходящийся относительно оптической оси приемной оптической системы под некоторым углом а, причем часть пути (Я - X¡) световой поток проходит в прямом направлении к неподвижной отражающей зеркальной поверхности, расположенной на расстоянии Н от излучающей поверхности оптической системы, через первую среду с коэффициентом преломления п\, а вторую часть пути - во второй среде с коэффициентом преломления п2>щ, уровень X, которой контролируется; регистрируется отраженный от зеркальной поверхности световой поток, прошедший расстояние Я в обратном направлении (рисунок 1, где 1 - ИИ, 2 - зеркало, 3 - ПИ).

Определена мощность Р оптического излучения на входе ПИЗ:

Р = р ехр(-2%2-y---~)Р0 XI)

cos

щ

агсзт(—эта) «2

где р - коэффициент отражения зеркальной поверхности 2; Р0 - мощность оптического излучения в начале трассы на ИИ1. Таким образом, зависимость Р =ДА!) нелинейная (экспоненциальная). Кроме того, если потери во второй среде незначительны (Хг 0), то чувствительность преобразования будет мала.

Для линеаризации зависимости Р =ЛХ) и повышения чувствительности преобразования в выражение (1) введен коэффициент К(Х). Для линеаризации зависимости Р(Х) необходимо, чтобы нелиней-

^ - была скомпен-

Рисунок 1 - Конструктивная схема оптической системы,

поясняющая процесс реализации предлагаемого способа измерения

ность первого сомножителя ехр(-2%2

)

cos arcsin( — sin а) п2

сирована нелинейностью второго сомножителя К(Х). Это достигается путем изменения крутизны зависимости К =fiX).

Разработан способ линеаризации выходной функции преобразования, обеспечивающий повышение чувствительности преобразования, основанный на конструктивном способе уменьшения интенсивности светового потока в начале процесса измерения уровня жидкостной среды и увеличении ее в конце процесса, что достигается путем смещения светового пятна, отраженного от зеркала относительно светочувствительной поверхности ПИ (рисунок 2).

Для этого лучи света от ИИ1 радиусом гш направляют к зеркалу 2 таким образом, чтобы при значении уровня жидкости Х= 0 они сходились в точке, лежащей на оптической оси на расчетном расстоянии L от ПИЗ.

При таком ходе лучей световое пятно площадью 5пи в приемной плоскости, равное отраженному пятну площадью Sotp, будет перемещаться относительно приемной площадки ПИЗ в направлении Z, при этом будет изменяться площадь ПИЗ, освещенная отраженным световым потоком, т.е. 5осв=./Р0- С учетом вышесказанного выражение (1) примет вид

■ = р ехр( -2х2

cos

arcsin( —sin а) "2

'осв ■^пи

(2)

Рисунок 2 - Геометрические построения к выводу функции преобразования оптической системы ОЭИП, реализующего новый способ ИУЖС

Для ПИ с прямоугольной светочувствительной площадкой с размерами Ъ и й, если диапазон измерения небольшой, когда %1~0, выражение (2) перепишется следующим образом: - при г < гт

Р гш

Р0 Ък

тс • -\2гтг~г1 ■ ■

— агсвт ——--51п(2агс81п —-)

гт гш

90

(3)

- при 2 > Гц и

2

-Я-ПГ2

- пгт ^г

Р0 Ьк

л . у/2гшг-г . л/^

агсзт^ии" " -5т(2агс51пу2Гии2 2 )

9° г г

'ш гш

.(4)

В выражении (4) параметр X определяется конструктивным исполнением конкретной оптической системы. В частном рассматриваемом случае данный параметр определяется расстоянием й между оптическими осями ИИ1 и ПИЗ (см. рисунок 2):

г = гх^сс + агсяп^яп а) ]} - гш. (5)

«2

Рассмотрена базовая структурная модель АФОЭУЖС. Определено, что АФОЭУЖС с одним измерительным каналом обладают существенным недостатком: мощность излучения ИИ, интегральная чувствительность и внутреннее сопротивление ПИ зависят от температуры окружающей среды, что ведет к большой температурной погрешности, учесть которую не представляется возможным. Поэтому задача снижения данной погрешности является актуальной и требует решения.

Во второй главе разработан новый способ снижения дополнительной погрешности ОЭУЖС при амплитудно-фазовом преобразовании сигналов. При этом гармонический сигнал, несущий информацию об уровне жидкостной среды, формируется конструктивным путем на рабочих ПИ приемом отраженного от зеркала светового потока ИИ, а другой гармонический сигнал формируется на компенсационных ПИ приемом смодулированного в функции измеряемого параметра светового потока того же ИИ, а также формированием отношения перечисленных сигналов, не зависящего от влияния дестабилизирующих факторов.

Для реализации разработанной новой технологической последовательности преобразования сигналов разработана структурная схема АФОЭУЖС, отличительной особенностью которой является наличие дополнительного оптоэлек-тронного компенсационного канала, что обеспечивает снижение дополнительных погрешностей от изменения мощности излучения ИИ, обусловленного

изменением температуры окружающей среды, колебаний параметров питающего напряжения, временной нестабильности параметров ИИ и т.д., а также изменением чувствительности ПИ. В то же время существенным недостатком данного ОЭУЖС является то, что при незначительных колебаниях границы раздела сред «воздух-жидкость» относительно приемо-передаюгцей системы резко изменяется выходной сигнал, т.е. появится дополнительная погрешность. Например, при отклонении границы раздела сред на угол 2...3 град, дополнительная погрешность может составить 10... 15 %.

Предложен и реализован способ снижения погрешности от углового смещения границы раздела сред с разными коэффициентами преломления, основанный на формировании нескольких световых потоков, сходящихся под определенным углом к оптической оси приемной оптической системы, сохраняющий технологию амплитудно-фазового преобразования.

Для реализации нового способа формирования оптических потоков в пространстве оптической системы ОЭИП разработана схема АФОЭУЖС, в которой реализуются п источников излучения и соответственно несколько компенсационных приемников излучения ив п раз повышается чувствительность преобразования в сравнении с базовым ОЭУЖС (рисунок 3).

РПИ - рабочий приемник излучения; ИИ - источники излучения; КПИ - компенсационный приемник излучения; МП - масштабирующий преобразователь; Г - генератор; ФЦ - фазосдвигаюшая цепь; Ф - фазометр; 2 - сумматор; МК - масштабирующий контур; ИП - оптоэлектронный измерительный преобразователь; 30 - зеркальный отражатель

Рисунок 3 - Структурная схема нового оптоэлектронного уровнемера

Световые потоки Фии, ИИ модулируются синусоидальным напряжением низкой частоты Уг генератора Г~, с помощью оптической системы направляются в зону измерения на отражатель 30. Отраженные световые потоки Фотр.Ш поступают на РПИ, где преобразуются в электрический сигнал и?(Х).

Части световых потоков ИШ поступают непосредственно на КПИ1, ..., КПИг, где преобразуются в постоянные электрические сигналы ¿/кпиь.-^кпи» которые суммируются в точке соединения. Сигнал Up(X) и суммарный компенсационный сигнал UK подвергаются масштабированию до уровней U\(X) и £/2 на МП1 и МП2 соответственно и смещаются с помощью Фц на угол ф]2 относительно друг друга. Сигнал i/2 первоначально смещен относительно сигнала Ui(X) на угол 180 град (рисунок 4).

Путем подбора элементов Фц создают сдвиг фаз 90 < ф12< 180°. Сигналы U\{X) и U2

поступают на входы сумматора 2, где происходит их геометрическое суммирование. С выхода сумматора 2 сигнал U^(X) поступает на один из входов фазометра Ф, на второй вход которого поступает один из гармонических сигналов: или U ~ , или U\(X), или U2.

Зависимость фазы (р суммарного сигнала U-z(X) от уровня X является выходным сигналом уровнемера и имеет вид

и: (х)

С/.' (Л-)

у.■£/;

Рисунок 4 - Векторная диаграмма сигналов ОЭУЖС при амплитудно-фазовом преобразовании сигналов

ф = arctg -

sin ф12

COS ф|2 +"

'(6)

К,

Кфu X ^КПИ

МП2ЛФЦ

/=1

где К?Ш(Х), Ккт - коэффициенты использования светового потока РПИ и КПИ; 5 VI. Буг ~ вольтовые чувствительности РПИ и КПИ соответственно.

Основными элементами, обусловливающими температурную погрешность АФОЭУЖС Дф,, являются ИИ, ПИ и измерительная схема (ИС):

Дф, = у/(А(р'Р)2 +(Дф'5)2 +(Дф'ис )2

(7)

где Дф'Р,Дф5,Дф'ис - температурные погрешности, обусловленные изменением мощности излучения ИИ, интегральной чувствительности ПИ, параметров ИС.

Исследования показали, что для снижения погрешности при изменении коэффициентов Кмт, КЫТ12, кт, необходимо: элементы МП2 и ФцЗ расположить вне зоны воздействия дестабилизирующих факторов; МП1 расположить в корпусе ОЭИП, так как он выполняет роль усилителя сигнала малого уровня иР(Х), передача которого без предварительного усиления по электрическому кабелю не представляется возможной.

Определено, что для снижения температурной погрешности из-за непропорциональных изменений 5УЬ Буг при изменении температуры окружающей среды необходимо использовать приемники излучения одного типа, у которых знак ухода чувствительности одинаков, что ведет к частичной температурной компенсации погрешности.

Разработан способ температурной компенсации при непропорциональных изменениях Буи основанный на определении условий, при которых Лф/>= т.е. изменения фазы ф суммарного сигнала, вызванные изменением мощности излучения ИИ и изменением фоточувствительности ПИ, были взаимно скомпенсированы (рисунок 5).

К/Г Ф Кц

и2„ = к„.и2

а)

к15 * к25

У я =К25-КР-иг-/(йФ К15=К23-/(АФ0)

Рисунок 5 - Векторные диаграммы, поясняющие способ температурной компенсации погрешности при

Рассмотрен случай, когда при изменении температуры окружающей среды мощность ИИ не изменяется, а интегральные фоточувствительности РПИ и КПИ изменяются неравнопропорционально, т.е. = К[$ 5ц, ¿м - ^Зуг. где К¡¡, К2$ - коэффициенты пропорциональности ухода чувствительности РПИ и КПИ соответственно.

В этом случае фаза ф^ суммарного сигнала 11$ относительно фазы сигнала и2з при изменении чувствительности фотоприемников определяется как

— * Ф12 СЙ1 Ф5=агс1ё-—-Щ--(8)

соз ф {X)

Неравнопропорциональные изменения интегральных фоточувствительно-стей РПИ и КПИ при неизменной мощности излучения ИИ приведут к температурной погрешности Аф^ = | ф - 1, определяемой выражением

Дфх

sin Ср., sin ср., arctg--—--arctg-j-B-

coscp n+K iS v,KmH(X) cos<p 12+K-^KVTm(X)

K2S sV2 sr2

При незначительной освещенности РПИ фототок, протекающий через сопротивление нагрузки РПИ, линейно зависит от светового потока. Так как КПИ располагают в непосредственной близости от ИИ (с целью исключения усиления), его освещенность будет значительно больше. Поэтому между фототоком и световым потоком будет нелинейная зависимостьДДФо), т.е. справедливо

sin ф,2 ПО1) срР = arctg ----•

COS ф 12 + К-Р-/(АФ0)Крт (X)

при изменении мощности излучения ИИ при KIS # Kzs появится погрешность ДерР= | ф - ф/> |, определяемая выражением (см. рисунок 4)

Д<рР =

arctg---arctg-

созф12 + К^/(АФ0)Кти(Х) созф12 + К^-Ктт(Х)

Sy 2 Sy2

(11)

То обстоятельство, что при изменении температуры окружающей среды появятся погрешности Дф/> и Дф& положено в основу способа температурной компенсации. Для уменьшения температурной погрешности необходимо, чтобы ДфР = -Дфл т.е. изменения фазы ф суммарного сигнала и^Х), вызванные изменением мощности излучения ИИ и изменением фоточувствительности ПИ, были взаимно скомпенсированы (рисунок 5,6). С учетом выражений (9) и (11) равенство Дфр=-Дфх перепишется следующим образом:

■ Ф]2 , эт ф]2 (12) аг^---Ц---= аг^-Тя-

со5ф12+^-^-/(ДФ0ЖРПИ(Х) соэ ф,2 (X)

Ьу2 Л25 Ьуг

Для полной температурной компенсации погрешности должно выполняться равенство К-^/К^ = -^(ДФо). Доказано, что равенства можно достигнуть путем изменения соотношения количества РПИ и КПИ, а также путем изменения положения КПИ относительно ИИ (например, приближая их к ИИ или, наоборот, удаляя).

Новый способ позволяет снизить температурную погрешность до 1.. .2 %.

Разработан механизм линеаризации функции преобразования ф =/(Х), основанный на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной) и^Х), в соответствии с которой изменяется сигнал на выходе ОЭИП, и функции арктангенса ф[£/1(АУ£/2], в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения и\{Х)11}2.

Определено, что линейность зависимости ф =ЛХ) зависит от угла ф)2 между выходными сигналами С/](X) и С/2; места положения на оси перемещений точки балансировки сигналов иг(Х) к 11ъ ъ которой и{(Х) = иг\ степени кривизны функции {/2/£Л -ДЛ0. определяемой коэффициентом пропорциональности а. Определенное соотношение указанных факторов дает возможность добиться линеаризации функции (6) при следующих условиях:

>

о

(13)

_= 1<«<5,

где и = 5Н/5К, где 5Н, - чувствительности преобразования ОЭИП в начале и конце диапазона измерения соответственно.

Иными словами, крутизна ф'(ЛГ) характеристики ф =ДА) в начале диапазона измерения должна быть равна крутизне ф'(Л) в конце диапазона измерения, а в середине - в п раз больше, чем в начале или в конце. Совмещая участки данных зависимостей с разной крутизной, можно добиться значительной линеаризации зависимости ф О-

В третьей главе разработана технологическая последовательность моделирования конструктивных элементов и оптической системы ОЭИП, определены критерии оптимизации элементов, узлов и опгаческой системы ОЭИП в целом. Определяющими параметрами являются линейность функции преобразования, чувствительность преобразования и глубина модуляции оптического сигнала.

Сформулирована и решена задача моделирования оптической системы ОЭИП, которая позволяет определить оптимальные конструктивные параметры, удовлетворяющие системе ограничений с допустимой погрешностью изготовления в границах доверительных интервалов с заданной надежностью. Предложен алгоритм решения задачи моделирования оптической системы по итерационной схеме уточнения конструктивных параметров ОЭИП, при этом итерационный процесс прекращается при достижении критериев оптимизации.

На основании полученных математических моделей функций преобразования и выполненных расчетов установлено, что для расширения диапазона измерения, повышения чувствительности преобразования и снижения погрешности линейности необходимо выполнять следующие условия: угол наклона а ИИ относительно оптической оси датчика должен иметь размер 0,5...5 град; уровень компенсационного сигнала Фк должен составлять половину рабочего

сигнала в точке балансировки, т.е. 0,5ФР (рисунок 6); угол (р12 должен находиться в интервале размеров 120... 140 град.

1.6

е ¿pv

о¥—I—————————

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Уровень жидкости, Н, мм

Рисунок 6 - Графики зависимостей ф -fiX) при изменении Фк

Разработаны технологические процедуры юстировки приемо-передающей оптической системы ОЭИП и технологическая последовательность настройки электрических параметров уровнемера в процессе сборки ОЭУЖС.

Основными узлами, которые подвергаются юстировке, являются коллима-торные системы «ИИ - линза малого диаметра», «ПИ - линза большого диаметра» и «оптическая система ИИ - ПИ». Точная юстировка ОЭУЖС обеспечивает требуемые метрологические характеристики ОЭИП.

Сложность технологической процедуры заключается в необходимости жесткой фиксации конструктивных элементов и в необходимости их перемещения относительно друг друга в требуемых допусках. Это достигается проведением работ в два этапа: исследовательский и технологический.

Результатом окончательной настройки ОЭУЖС являются достигнутые метрологические характеристики ОЭИП, заданные техническим заданием: требуемые диапазоны измерения (D = Хтах -X^) и изменения фазы

(Дф = фтах-фтш); высокая чувствительность преобразования —; максималь-

ная линейность выходной характеристики ф = /(х).

Для настройки ОЭУЖС разработана технологическая методика и создана специальная измерительная установка, представленная на рисунке 7.

Эх

£ 5 1 , ,"] 1.

N — - - - - -

1 -- корпус; 2 - держатель; 3 - светодиоды ЗЛ107Б; 4 - компенсационные фотодиоды типа ФД-19КК; 5 - рабочий фотодиод ФД20-32К; 6,7- линзы малого и большого диаметров соответственно; 8 - печатная плата; 9 - внутренние гайки;

10- установочные гайки; 11 - уплотнительное кольцо; 12 - защитное стекло;

13 - гайка; 14 - втулка; 15 - вилка МР1-10-5-В; 16 - зеркальный отражатель

Рисунок 7 - Конструкция ОЭУЖС с компенсационным каналом

Диапазон изменения фазы выходного напряжения Дф определяется выражением: Дф = ф*=;Сд - фд_о, где фж=яд ,Фх=о~ Ф333 вьгходного напряжения в

конце и начале диапазона измерения соответственно. При этом необходимо выполнить условия:

Ч>1 -<Ро = Фд -Фд-1 ЛФн = Лфк > где ф0, ф,, фд, фд_, - значения фазы выходного напряжения в первой (нулевой), второй, конечной и предпоследней точках градуирования соответственно. Максимально линейная выходная характеристика достигается при выполнении условия (13). Настройка осуществляется элементами электрической схемы, а именно масштабирующего преобразователя. На лицевую панель контрольно-измерительного пульта выведены переменные резисторы, имеющие следующие обозначения: Л1 - «диап.», Ю. - «лин. 1», №> - «лин. 2». Изменяя сопротивления плеч резистора Д1, добиваются требуемого диапазона изменения выходного сигнала (Дф ±1) град, например (70 ± 1) град. Изменяя сопро-

тивление резисторов Я2, Ю, добиваются выполнения условия (13) с допустимым разбросом ±(0,1.. .0,2) град. При настройке ОЭУЖС необходимо, чтобы токи Л и 12 в точке суммирования были равны в середине диапазона измерения.

В четвертой главе определена конструктивно-технологическая компонентная база ОЭУЖС, разработана конструкция нового ОЭУЖС с компенсационным каналом (рисунок 7). В фокусах четырех линз 6 устанавливаются четыре инфракрасных светодиода 3. В непосредственной близости от свето-диодов 3 устанавливаются компенсационные фотодиоды 4. Рабочий фотодиод 5 устанавливается в центр держателя 2, а на расстоянии меньше фокусного от него завальцовывается линза 7. Оси светодиодов 3 и фотодиодов 4 взаимно перпендикулярны. На плате 8 расположены элементы МП1 и фазосдвигающей цепи. Перед установкой втулки 14 с вилкой 15 во избежание образования конденсата внутренняя полость ОЭУЖС после предварительного ее вакууммирования заполняется аргоном. С торца ОЭУЖС в корпус 1 устанавливается стекло 12, которое для обеспечения герметичности конструкции прижимается уплотнительным кольцом 11. Для удержания в корпусе 1 кольцо 11 затягивается гайкой 13.

Зеркальный отражатель 16 представляет собой отполированную по 11 ква-литету металлическую пластину (например, из стали 12Х18Н10Т). Для обеспечения высокой надежности ОЭУЖС во время эксплуатации крепления элементов конструкции следует выполнять сваркой и пайкой.

На рисунке 8 приведены градуировочные характеристики ф =$Х) для экспериментальных образцов ОЭУЖС, которые настраивались по разработанной методике настройки.

У».......«и

Рисунок 8 - Результаты градуирования экспериментальных образцов ОЭУЖС

Проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик экспериментальных образцов ОЭУЖС подтвердили теоретические и технологические положения, изложенные в диссертации. Созданные научно-технические и технологические результаты имеют хорошую сходимость и являются основными базовыми материалами для создания новых образцов ОЭУЖС.

Анализ метрологических характеристик разработанных ОЭУЖС показал, что основная погрешность (без учета погрешности линейности) равна 0,3... 1 %, погрешность линейности функции преобразования в 5-7 раз меньше, чем у ОЭУЖС амплитудного типа, температурная погрешность снижена в 2-3 раза по сравнению с амплитудными аналогами и не превышает 5 % в диапазоне температур ± 50 °С.

В заключении отмечается, что в работе изложены научно обоснованные новые технические и технологические решения ОЭУЖС, имеющие улучшенные метрологические характеристики, внедрение которых позволит создавать системы бесконтактного измерения уровня жидкостных сред для выполнения целевых задач на ИТО.

В приложениях представлены математические программы и результаты расчетов параметров ОЭУЖС на ЭВМ, технологическая и конструкторская документация, фотографии экспериментальных образцов ОЭУЖС, в которых реализованы основные положения диссертации, акты внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Работа обеспечивает создание перспективных средств измерения: амплитудно-фазовых оптоэлектронных уровнемеров с оптоэлектронным компенсационным каналом, обеспечивающих улучшенные метрологические характеристики для информационно-измерительных систем нового поколения, применяемых в различных отраслях науки, техники и технологии.

1 Разработана технологическая последовательность преобразования оптических сигналов, обеспечивающая реализацию бесконтактного способа измерения текущего значения уровня жидкостных сред, основанного на регистрации интенсивности светового потока, сходящегося относительно оптической оси приемной оптической системы под некоторым углом, проходящего через первую среду с коэффициентом преломления, меньшим, чем коэффициент преломления второй среды, уровень которой измеряется, и отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на расчетном расстоянии от излучающей поверхности оптической системы.

2 Выведена функция преобразования амплитудно-фазового ОЭУЖС с компенсационным каналом и несколькими ИИ, на основе анализа которой определены параметры измерительного преобразователя, обеспечивающие ее линейность.

3 Разработан механизм линеаризации функции преобразования <р =ЛХ), основанный на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной) 11\(Х), в соответствии с которой изменяется рабочий сигнал на выходе измерительного преобразователя, и функции арктангенса ^[и^ХуиД, в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения ^(АУ С/2.

4 Разработан новый способ снижения температурной погрешности ОЭУЖС, обусловленной изменением параметров источников и приемников излучения, основанный на применении амплитудно-фазового преобразования сигналов, введении дополнительного оптоэлектронного компенсационного канала, использовании РПИ и КПИ одного типа с учетом оптимального расчетного соотношения количества РПИ и КПИ, а также путем изменения положения КПИ относительно ИИ.

5 Разработан новый способ снижения погрешности от углового смещения границы раздела сред с разными коэффициентами преломления, основанный на формировании нескольких световых потоков, сходящихся под некоторым углом к оптической оси приемной оптической системы. Разработана новая конструкция АФОЭУЖС, в которой используются п ИИ и соответственно нескольких КПИ, что в и раз повышает чувствительность преобразования по сравнению с базовым ОЭУЖС.

6 Разработана методика расчета основных параметров оптического тракта ОЭИП, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне регистрации и связи диапазона измеряемого параметра, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси ОЭИП и расстояния между ИИ и ПИ, при которых обеспечиваются улучшенные метрологические характеристики.

7 Разработан механизм линеаризации функции преобразования ОЭИП и повышения чувствительности преобразования, основанный на конструктивном уменьшении потерь светового потока в начале диапазона измерения и увеличении их в конце диапазона измерения изменением освещенности ПИ путем смещения светового пятна, отраженного от зеркала относительно светочувствительной поверхности ПИ.

8 Разработаны технологические процедуры юстировки приемо-переда-ющей оптической системы ОЭИП и технологическая последовательность настройки электрических параметров уровнемера в процессе сборки ОЭУЖС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1 Граевский, О. С. Способ снижения температурной погрешности оптоэлектронных уровнемеров / О. С. Граевский, А. В. Бадеев, С. Н. Базыкин // Датчики и системы. - 2010. - № 7. - С. 10-15.

2 Граевский, О. С. Моделирование распределения интенсивности светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя перемещений с управляющим элементом в виде сферической линзы / О. С. Граевский, В. С. Волков, Н. П. Кривулин // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. - 2009. - № 12. - С. 19-22.

3 Граевский, О. С. Исследование погрешностей волоконно-оптических датчиков давления ат-тенюаторного типа / О. С. Граевский, А. В. Гориш, Д. А. Крючков, А. Г. Пивкин // Измерительная техника. - 2010. - № 3.

Публикации в других изданиях

4 Граевский О. С. Новый способ измерения уровня жидкости / О. С. Граевский, В. А. Бадеев // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. - Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2009. - Т. 1. - С. 419-421.

5 Граевский, О. С. Экспериментальные исследования оптоэлектронного датчика уровня жидкости / О. С. Граевский, А. В. Бадеев, Е. С. Панькин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 1. - С. 398^101.

6 Граевский, О. С. Волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости / Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина, О. С. Граевский, О. В. Юрова // Современная электроника. - 2009. - № 6. - С. 76-77.

7 Предложение к внедрению научных разработок в области создания волоконно-оптических систем : Рекламный лист НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» / О. С. Граевский, Т. И. Мурашкина // Современная электроника. - 2009. - № 6. - С. 77.

8 Граевский, О. С. Дифференциальный волоконно-оптический вибродатчик / О. С. Граевский [и др.] // Современная электроника. - 2010. - № 1. - С. 36-37.

9 Граевский, О. С. Универсальный преобразователь оптических сигналов / А. В. Бадеев, О. С. Граевский, Д. А. Крючков, Ю. Н. Макаров // Информационно-управляющие и измерительные системы : сб. тр. отраслевой науч.-техн. конф. приборостроительных организаций Роскосмоса. -НПО ИТ. - 12-13 ноября 2009 г.

10 Граевский, О. С. Исследование процессов взаимодействия акустического и оптических полей в акустооптических лазерных интерферометрах / С. Н. Базыкин, О. С. Граевский, Д. А. Крючков, Ю. Н. Макаров // Информационно-управляющие и измерительные системы: сб. тр. отраслевой науч.-техн. конф. приборостроительных организаций Роскосмоса. - НПО ИТ. - 12-13 ноября 2009 г.

11 Граевский, О. С. Универсальный преобразователь оптических сигналов / А. В. Бадеев, О. С. Граевский, А. В. Гориш, Ю. Н. Макаров // Информационно-управляющие и измерительные системы: сб. тр. отраслевой науч.-техн. конф. приборостроительных организаций Роскосмоса. - НПО ИТ. -12-13 ноября 2009 г.

12 Граевский, О. С. Волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости / О. С. Граевский, Д. И.Серебряков, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. - Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2009. - Т. 1. - С. 394-395.

13 Граевский, О. С. Модернизация волоконно-оптического датчика давления на основе туннельного эффекта / О. С. Граевский, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. - Пенза: Информационно-издательский цешр ПензГУ, 2009. - Т. 1. - С. 395-398.

14 Граевский, О. С. Способ измерения текущего уровня жидкости, основанного на регистрации интенсивности светового потока /А. В. Гориш, О. С. Граевский// Информационно-управляющие и измерительные системы : сб. тр. отраслевой науч.-техн. конф. приборостроительных организаций Роскосмоса. - НПО ИТ. - 12-13 ноября 2009 г.

Научное издание

Граевский Олег Станиславович

Технологические способы улучшения метрологических характеристик оптоэлектронных уровнемеров жидкостных сред

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Подписано в печать 28.12.10. Формат 60х841/16. Усл. печ. л. 1.39. Заказ № 816. Тираж 50.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40.

Введение.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД НА ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ.

1.1 Анализ известных способов и средств измерения уровня жидкостных сред.

1.2 Обоснование и выбор нового способа измерения уровня жидкостных средств на основе оптоэлектронной технологии.

1.3 Технология амплитудно-фазового преобразования сигналов оптоэлектронных уровнемеров жидкостных сред.

Актуальность работы

В различных отраслях науки, техники и технологии (ракетно-космическая и авиационная техника (РК и АТ), нефте- и газодобывающая промышленность, нефтехимия, гражданская авиация, трубопроводный, морской и железнодорожный транспорт, системы экологического контроля, медицинское приборостроение и др.) для различных задач социального, гражданского, оборонного значения необходимо иметь информационно-измерительные системы (ИИС) и промышленно-технологические комплексы (ПТК) для измерения различных физических параметров (температуры, давления, уровня жидкостных сред, линейных и угловых перемещений и др.).

Для создания новых образцов инженерно-технических объектов (ИТО), к которым относятся, например, авиалайнеры, гражданские самолеты, ракеты-носители, стендовые комплексы, резервуары с различным топливом, емкости с жидкостными средами, водяные баки и др., необходимо создание и внедрение новых ИИС и ПТК.

Непрерывное совершенствование различных ИТО, развитие ИИС и ПТК требуют решения традиционных задач и расширения областей исследования закономерностей протекания технологических процессов в экстремальных условиях эксплуатации, что, в свою очередь, требует создания высокотехнологичных, высокоточных, надежных, малогабаритных и экономичных средств для измерения параметров физических процессов как на этапе создания, так и в процессе эксплуатации ИТО. При этом определяющим фактором достижения высоких метрологических характеристик ИИС и ПТК является применение в их составе средств измерения (датчиков) с высокими метрологическими характеристиками, в том числе уровнемеров. Поэтому при создании новых ИИС и ПТК требуется создание более совершенных средств и методов измерения уровня жидкостных сред (ИУЖС).

Наиболее востребованы средства измерения уровня жидкостных сред в PK и AT, в системах налива/слива, учета нефтепродуктов, в системах водоснабжения питьевой и технической водой и в других задачах.

Известные отечественные и зарубежные фирмы-разработчики решают задачу ИУЖС в заданных диапазонах регистрации путем применения сложных дорогостоящих средств измерения, как правило, контактного типа. Примерами таких решений являются пьезорезистивный уровнемер типа DS фирмы SEBA Hydrometrie GmbH, тросиковые уровнемеры предприятия «Транснефть-автоматика», фирмы Enraf типа ATG854, фирмы Auxitrol типа 640-67, емкостные уровнемеры фирмы Whessol типа ITG-50. Эти средства измерения не отвечают возросшим требованиям по уровню метрологических характеристик, предъявляемым со стороны ИТО.

При решении данной задачи предпочтение отдается технологическим и информационно-измерительным средствам измерения уровня жидкостных сред, не требующим в процессе функционирования энергетического взаимодействия с контролируемым объектом. Данному требованию наилучшим образом отвечают бесконтактные оптоэлектронные уровнемеры жидкостных сред (ОЭУЖС).

Анализ научно-технической информации и публикаций известных ученых в области оптической измерительной техники В. Б. Вайнберга, JL Н. Воронцова, В. М. Гречишникова, Д. Дейкина, В. Г. Жилина, Г. П. Ка-тыса, Н. Е. Конюхова, В. Ф. Крапивина, А. Ю. Кузина, М. М. Мирошникова, Г. В. Меркишина, Т. И. Мурашкиной, В. Т. Потапова, М. Хауэса, Ю. Г. Якушенкова и др. показал, что для решения поставленной задачи необходимо применить способ регистрации информации, основанный на восприятии отраженного светового потока, несущего информацию об измеряемой физической величине. При этом возникает задача уменьшения влияния нелинейных изменений пространственных характеристик светового потока, ведущих к резкому снижению интенсивности оптического сигнала при перемещении границы раздела сред относительно рабочего торца уровнемера и соответственно к высокой погрешности линейности функции преобразования и снижению точности ИУЖС.

Существенным недостатком оптических средств измерений, в том числе уровнемеров, является зависимость мощности источников излучения (ИИ) и интегральной чувствительности и внутреннего сопротивления приемников излучения (ПИ) от температуры. Так, например, у серийно выпускаемых светодиодов типа ЗЛ107Б излучающая способность изменяется в интервале температур ± 50 °С на 20.30 %, а у фотодиодов ФД-19КК, ФД 20-32К, КФДМ разброс по чувствительности может достигать 10. 15 %. Подобный разброс энергетических характеристик приводит к большим температурным погрешностям (от 10 до 50 %), если не принять конструктивно-технологических мер для их снижения. При повышении или уменьшении температуры окружающей среды изменяются электрические параметры уровнемера, что приводит к возникновению температурной погрешности преобразования.

Для достижения требуемых метрологических характеристик при проектировании ОЭУЖС определяющими являются технологические вопросы, связанные с формированием определенной структуры светового потока, несущего полезную информацию. Актуальна задача совершенствования технологии проектирования, создания и изготовления новых образцов ОЭУЖС.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления бесконтактных оптоэлектронных уровнемеров жидкостных сред с улучшенными метрологическими характеристиками.

Научная задача, решенная в работе, - обоснование и разработка новых технологических методов, обеспечивающих существенное улучшение метрологических характеристик бесконтактных оптоэлектронных уровнемеров, реализующих амплитудно-фазовое преобразование перемещения границы раздела сред с разными коэффициентами преломления в электрический сигнал.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- проведение анализа известных методов и средств ИУЖС;

- разработка нового оптоэлектронного способа измерения уровня прозрачной жидкости;

- математическое описание процесса распределения светового потока в оптическом канале ОЭУЖС, реализующем новый способ ИУЖС;

- разработка математических и структурных моделей и алгоритмов преобразования сигналов в оптоэлектронных измерительных преобразователях уровня жидкости (ОЭИП) и амплитудно-фазовых ОЭУЖС (АФОЭ-УЖС);

- разработка конструктивно-технологических способов снижения температурной и суммарной погрешностей АФОЭУЖС;

- усовершенствование механизма линеаризации функции преобразования АФОЭУЖС;

- вывод функции преобразования и определение параметров оптической системы измерительного канала ОЭУЖС;

- разработка технологии юстировки приемо-передающей оптической системы ОЭИП, обеспечивающей необходимую пространственную структуру пучка, максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала, линейность функции преобразования, простоту юстировки элементов оптической системы;

- разработка методики проведения экспериментальных исследований ОЭУЖС.

Предмет исследований — технологические методы улучшения метрологических характеристик оптоэлектронных уровнемеров, предназначенных для бесконтактных ИУЖС в составе информационно-измерительных систем перспективных образцов ИТО различных отраслей промышленности, реализующих амплитудно-фазовое преобразование уровня жидкостной среды в электрический сигнал.

Методы исследований

При разработке математических моделей ОЭИП и ОЭУЖС применялись основные положения геометрической оптики, методы математической физики, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу ОЭИП и ОЭУЖС применялись положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием. Основные теоретические и технологические положения и результаты подтверждены экспериментальными исследованиями реальных действующих образцов ОЭУЖС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработан и экспериментально подтвержден новый способ измерения текущего значения уровня жидкостных сред, основанный на регистрации интенсивности отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на определенном расстоянии от излучающей поверхности оптической системы, светового потока, сходящегося относительно оптической оси приемной оптической системы.

2 Разработан и реализован новый технологический способ снижения температурной погрешности ОЭУЖС, основанный на применении амплитудно-фазового преобразования сигналов, введении дополнительного оп-тоэлектронного компенсационного канала, использовании рабочих (РПИ) и компенсационных (КПИ) приемников излучения одного типа и расчете оптимального соотношения количества РПИ и КПИ, а также путем конструктивного исполнения КПИ относительно ИИ.

3 Разработан и реализован механизм линеаризации функции преобразования амплитудно-фазового ОЭУЖС, основанный на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной), в соответствии с которой изменяется рабочий сигнал на выходе измерительного преобразователя, и функции арктангенса, в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения рабочего и компенсационного сигналов.

4 Создана новая методика расчета основных параметров оптического тракта ОЭИП, учитывающая новые закономерности распределения светового потока в зоне измерения и связь диапазона измерения, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси ОЭИП и расстояния между ИИ и ПИ. I

5 Созданы новые и усовершенствованы существующие способы улучшения метрологических характеристик АФОЭУЖС, основанные на:

- формировании одного гармонического сигнала, несущего измерительную информацию об уровне жидкостной среды, на РПИ приемом отраженного от зеркала светового потока ИИ, а другого - на КПИ приемом немодулированного в функции измеряемого параметра светового потока того же ИИ, а также формировании отношения данных сигналов, не зависящего от влияния дестабилизирующих факторов;

- реализации оптоэлектронного компенсационного канала;

- компенсации изменений сигналов, обусловленных противоположно изменяющимися мощностью ИИ и фоточувствительностью ПИ при изменении температуры окружающей среды;

- уменьшении интенсивности отраженного светового потока в начале диапазона измерения и его увеличении в конце диапазона измерения за счет формирования сходящегося к концу диапазона измерения светового потока и снижения потерь отраженного светового потока.

6 Разработана блочно-модульная структурная модель амплитудно-фазового ОЭУЖС, реализующая новую четкую технологическую последовательность преобразования сигналов, отличительной особенностью которой является ввод в конструкцию дополнительного компенсационного канала, обеспечивающего снижение погрешности от изменения мощности излучения ИИ, обусловленного изменением температуры окружающей среды, колебаниями параметров питающего напряжения, временной нестабильности параметров ИИ, изменением чувствительности ПИ и др.

Практическая значимость работы

1 Разработана и реализована новая технология исполнения амплитудно-фазовых ОЭУЖС.

2 Выполненные автором в Московской академии рынка труда и информационных технологий (МАРТИТ, г. Москва) и Пензенском государственном университете (ЛГУ, г. Пенза) теоретические и экспериментальные исследования обеспечили решение актуальной научно-технической и технологической задачи создания новых бесконтактных ОЭУЖС с улучшенными метрологическими характеристиками. 1

3 Проведенные исследования обеспечили формирование банка данных для создания новых образцов ОЭУЖС с улучшенными метрологическими характеристиками, позволяют перейти к их промышленному производству и внедрению в различных отраслях науки, техники и технологии.

Научная и практическая значимость исследований также подтверждается тем, что работы в настоящее время проводятся в рамках Федеральной космической программы Роскосмоса, «Комплексной программы НИР и ОКР по созданию средств измерений, контроля и диагностики для космических аппаратов, испытательных центров наземной экспериментальной базы на период до 2010 г.» в кооперации с МАРТИТ и ПГУ, ОАО «НПО Измерительной техники» (г. Королев, Московская обл.), ФГУП «Рубин» (г. Пенза), ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза).

Реализация результатов работы

Работа над диссертацией проводилась в рамках фундаментальных отраслевых НИР и ОКР Роскосмоса (темы «Миндаль», «Арахис», «Надежность», «Контроль» и др.), Федеральной космической программы России по созданию средств измерения, контроля, диагностики параметров РК и AT и для других отраслей промышленности.

Основные результаты теоретических, технологических и экспериментальных исследований автора применены при создании ОЭУЖС с компенсационным каналом для ИУЖС в диапазонах 0. .90, 0. 125, 0.180, 0.250, 0.350, 0.500, 0.800, 0.1000, 0.2000 мм. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы ОЭУЖС: шифр ОЭУ-001, ОЭУ-002, внедренные на предприятии ОАО «НПО ИТ» (г. Королев, Московская обл.).

Элементы теории проектирования, материалы по расчету и проектированию ОЭУЖС использованы в НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», «Оптимизация конструктивных исполнений оптоэлек-тронных уровнемеров на основе формирования рационального распределения светового потока», а таюке в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Теория измерений», преподаваемой студентам специальности 200100 «Приборостроение» в ПГУ.

Материалы по формализации процесса' распределения мощности светового потока в пространстве ОЭИП использованы в проекте аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» по теме «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№2.1.2/937).

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), НТС Росавиакосмоса, международной НТК «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе» («IT-SE 2001» «IT-SE 2002») (Ялта-Гурзуф, 2001, 2002 гг.), X Международном салоне «Двигате-ли-2008» (г. Москва, 2008 г.), I Российском инвестиционном форуме «Российским инновациям — российский капитал» и IV ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Чебоксары, 2008 г.), международной выставке «Не-lirassia-2008» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2008 г.), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009, 2010 гг.), международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2009, 2010 гг.), отраслевой НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы» (г. Королев, Московская обл., 2009 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 работах, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, подано 2 заявки на изобретение, 3 научно-технических отчета.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, шести приложений. Основная часть изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, восемь таблиц. Библиографический список содержит 103 наименования. Приложения к диссертации занимают 16 страниц.

Основные выводы и результаты

1 Определено, что для обеспечения надежности ИТО при конструировании ОЭУЖС необходимо применять в качестве источников излучения СИД типа ЗЛ107 Б, а в качестве приемников излучения согласованные с ними по спектру фотодиоды типа ФД-256.

В качестве зеркального отражателя необходимо использовать пластину из стали 36НХТЮ, отполированную до Кг 0,63.

2 Экспериментальные исследования лабораторных макетов ОЭУЖС показали, что они обеспечивают измерение перемещений в диапазонах до 1000 мм. Приблизительные габаритные размеры датчика 045x75 мм (что в 3. .4 раза меньше, чем у аналогов).

3 Определено, что погрешность линейности функции преобразования разработанных амплитудно-фазовых ОЭУЖС не превышает 5 %, что в 5.7 раз меньше, чем у ОЭУЖС амплитудного типа.

4 Проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик экспериментальных образцов ОЭУЖС подтвердили теоретические и технологические положения, полученные и изложенные в диссертации. Разработанные научно-технические и технологические решения имеют хорошую сходимость с экспериментальными исследованиями и являются основными базовыми материалами для созI дания новых образцов ОЭУЖС. Созданные экспериментальные образцы обеспечивают ДКИУЖС и могут применяться в различных отраслях науки, техники и технологии при создании и эксплуатации новых образцов ИТО.

Заключение

1 Разработана новая концептуально-конструктивная, технологическая и метрологическая база конструирования ОЭУЖС (вода, топливо, нефтепродуктов и др.) для ИТО, основанных на регистрации интенсивности светового потока, отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на дне резервуара, бака или емкости, заполненной жидкостью.

2 Определены основные источники погрешностей ОЭУЖС: изменение температуры окружающей среды, наличие внешних световых потоков (фоновых засветок), нелинейность функции преобразования и разработаны конструктивно-технологические рекомендации по снижению их до допустимых значений.

Установлено, что основными элементами, изменение которых ведет к возникновению температурной погрешности, являются источники и приемники излучения и измерительная схема. При изменении температуры окружающей среды изменяются мощность излучения ИИ и интегральная чувствительность ПИ. I

3 Разработан новый способ снижения температурной погрешности ОЭУЖС, обусловленной изменением параметров источников и приемников излучения, основанный на применении амплитудно-фазового преобразования сигналов, введении дополнительного оптоэлектронного компенсационного канала, использовании РПИ и КПИ одного типа с учетом оптимального расчетного соотношения количества РПИ и КПИ, а также путем изменения положения КПИ относительно ИИ.

4 Разработана структурная схема АФОЭУЖС, реализующего новую технологическую концепцию преобразования сигналов. Новизна предложенной конструктивной схемы заключается в наличии в конструкции ОЭУЖС дополнительного компенсационного канала, который позволяет снизить погрешности от изменения мощности излучения ИИ, обусловленного дестабилизирующими факторами:

5 Разработан новый способ снижения погрешности от углового смещения границы раздела сред с разными коэффициентами преломления, основанный на формировании нескольких световых потоков, сходящихся под некоторым углом к оптической оси приемной оптической системы, сохраняющий технологию амплитудно-фазового преобразования.

Для реализации этого способа формирования оптических потоков в пространстве оптической системы ОЭИП была разработана новая конструкция амплитудно-фазового ОЭУЖС, в которой используются п источников излучения и, соответственно, нескольких компенсационных приемников излучения и в и раз повышается чувствительность преобразования по сравнению с базовым ОЭУЖС.

6 Разработан новый способ снижения дополнительной погрешности с сохранением технологии амплитудно-фазового преобразования, отличительной особенностью которого является то, что гармонический сигнал, промодулированный в функции регистрируемого параметра, формируют на рабочих приемниках излучения приемом • отраженного от зеркала светового потока источника излучения, а другой гармонический сигнал формируют на компенсационных приемниках излучения приемом немодулированного в функции регистрируемого параметра светового потока того же источника излучения, а также формированием отношения перечисленных сигналов, не зависящего от влияния дестабилизирующих факторов.

7 Разработана математическо-технологическая модель функции преобразования ф=ДХ) АФОЭУЖС с компенсационным каналом и I несколькими источниками излучения. Установлено, что линейность функции преобразования зависит:

- от угла ф12 между выходными сигналами 11\(Х) и 1/2',

- места положения на оси перемещений точки балансировки сигналов иу(Х) и иъ в которой и{(Х)=и2\ 1

- степени кривизны функции U2/U\=f(X), определяемой коэффициентом пропорциональности а.

Доказано, что сигналы U\(X) и U2 находятся в отношении, поэтому пропорциональные изменения этих сигналов, обусловленные изменением параметров ИИ и ПИ, напряжения питания и т.п., не влияют на результаты измерений, таким образом, в новом ОЭУЖС существенно уменьшается дополнительная погрешность.

8 Разработан механизм линеаризации функции преобразования (р=ДХ), основанный на взаимной компенсации двух нелинейных зависимостей: квадратичной (или ей подобной) U\(X), в соответствии с которой изменяется рабочий сигнал на выходе измерительного преобразователя, и функции арктангенса <p[Ui(X)/U2], в соответствии с которой изменяется фаза суммарного сигнала от отношения U\(X)/U2.

9 Разработана методика расчета основных параметров оптического тракта ОЭИП, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне регистрации и связи диапазона измеряемого параметра, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси ОЭИП и расстояния между ИИ и ПИ, при которых обеспечиваются улучшенные метрологические характеристики.

10 Разработан механизм линеаризации выходной функции преобразования и повышения чувствительности преобразования, основанный на конструктивном уменьшении потерь светового потока в начале диапазона измерения и увеличении их в конце диапазона измерения изменением освещенности ПИ путем смещения светового пятна, отраженного от зеркала относительно светочувствительной поверхности ПИ.

11 Установлено, что для снижения температурной погрешности, обусловленной непропорциональными изменениями £вь SB2 при изменении температуры окружающей среды необходимо применять ПИ одного типа, у которых знак ухода чувствительности одинаков, что обусловливает частичную температурную компенсацию погрешности.

Определено, что для снижения погрешности при изменении коэффициентов КМт, Кмт, Кфц, необходимо при конструировании:

- элементы МП2 и ФцЗ установить вне зоны воздействия дестабилизирующих факторов в более благоприятные условия;

- МП1 расположить в корпусе ОЭИП, так как он выполняет роль усилителя сигнала малого уровня и?(Х), передача которого без предварительного усиления по электрическому ;кабелю не представляется возможным.

12 Разработан способ температурной компенсации погрешности при непропорциональных изменениях 5дь Бвг ■ при амплитудно-фазовом преобразовании сигналов, основанный на определении условий, при которых изменения фазы ср суммарного сигнала, вызванные изменением мощности излучения ИИ и изменением фоточувствительности ПИ, были взаимно скомпенсированы. !

13 Установлено, что для полной компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы при изменении температуры окружающей среды мощность излучения ИИ и отношение изменений чувствительностей приемников излучения должны изменяться в противоположные направления. Это достигается путем изменения соотношения количества рабочих и компенсационных приемников излучения, а также путем изменения положения КПИ относительно ИИ.

14 Создан математически-технологический аппарат оптимизации параметров ОЭУЖС с компенсационным каналом. На основании полученных математических моделей функций преобразования выполнены расчеты, которые показали, что для расширения диапазона регистрации, повышения чувствительности преобразования и снижения, погрешности линейности необходимо обеспечивать: угол наклона а ИИ относительно оптической оси датчика должен быть 0,5.5 градусов, уровень "компенсационного сигнала Фк должен составлять половину рабочего сигнала в точке балансировки, то есть 0,5ФР, угол (рп должен составлять 120.140 градусов.

15 Дано теоретическое обоснование новых и модернизированных технических решений физической реализации ОЭИП и ОЭУЖС с компенсационным каналом, позволяющих при незначительной модификации конструктивного исполнения на их основе создать ОЭУЖС для измерения уровня в разных диапазонах измерения, обеспечивающие высокие метрологические характеристики и надежное функционирование ОЭУЖС в жестких условиях эксплуатации РК и АТ. ;

16 Подтверждены теоретические и технологические результаты, изложенные в диссертации, проведенными экспериментальными исследованиями на разработанных и изготовленных экспериментальных образцах. ОЭУЖС показали, что они обеспечивают ИУЖС в диапазонах до 2000 мм. При этом:

- габаритные размеры датчика 045x75 мм (что в 3-4 раза меньше, чем у аналогов); 1

- погрешность линейности функции преобразования не превышает 5 %, что в 5-7 раз меньше, чем у ОЭУЖС амплитудного типа;

- температурная погрешность в 2-3 раза меньше по сравнению с аналогами в диапазоне температур ± 50 °С.

17 Выполненные комплексные научно-технические, технологические, экспериментальные и производственные исследования подтвердили практически все положения, изложенные в диссертации.

Работа обеспечивает создание перспективных средств измерения: амплитудно-фазовых оптоэлектронных уровнемеров с оптоэлектронным компенсационным каналом, обеспечивающих улучшенные метрологические характеристики для информационно-измерительных систем нового поколения, применяемых в различных отраслях науки, техники и технологии.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АФОЭУЖС - амплитудно-фазовый оптоэлектронный уровнемер жидкостных сред БП — блок питания БПИ - блок преобразования информации ВВФ - внешний влияющий фактор ЗО - зеркальный отражатель ИИ - источник излучения ИП - измерительный преобразователь ИИС — информационно-измерительная система

ИК - измерительный канал ИТО - инженерно-технических объектов ИУЖС - измерение уровня жидкостных сред

КПИ — компенсационный приемник излучения ЛА — летательный аппарат ЛД - лазерный диод Л - линза ЛФД - лавинный фотодиод МК - масштабирующий (масштабный) контур МЗ - масштабирующее звено МХ - метрологические характеристики НИОКР — научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа ОКР — опытно-конструкторская работа ОЭБ - оптоэлектронный блок ОЭИП - оптоэлектронный измерительный преобразователь ОЭУЖС - оптоэлектронный уровнемер жидкостных сред ПТК - промышленно-технологические комплексы

162 птиик — производственно-технологических информационно-измерительных комплексов пи - приемник излучения пл - полупроводниковый инжекционный лазер

РКиАТ — ракетно-космическая и авиационная техника

РПИ - рабочий приемник излучения

СД - светодиод

СИД - светоизлучающий диод

СИИ — сосредоточенный источник излучения слд — суперлюминесцентный диод 1 сх - спектральная характеристика тт - технические требования ф - фазометр

ФВ - физическая величина

ФД - фотодиод

ФП - функция преобразования

Фц - фазосдвигающая цепь чэ - чувствительный элемент эх - эксплуатационные характеристики

1. Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г. Разработка новых измерительных преобразователей на основе аналогии между электрическими и оптическими цепями // Оптико-механическая промышленность.- 1982. №3. -С. 60

2. Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г. Оптоэлектронные преобразователи больших перемещений на основе полых световодов. — М.: Энергоатом-издат, 1987.- 56 с. (Б-ка по автоматике; Вып. 664).

3. Акаев A.A., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высш. шк.- 1988.- 237 с.

4. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. М.: Энергоатомиздат. - 1984.- 208 с.

5. Андриенко А .Я, Балакин C.B., Ломтев С.М. Проблема измерения уровня топлива на борту жидкостных ракет // Датчики и системы. 2003. -№6 . - С.46-47.

6. A.C. 1226060 СССР, МКИ3 G01 В 21/00. Фотоэлектрический датчик перемещений / В.М.Чудов (СССР), Н.Д.Конаков (СССР), Т.И.Мурашкина (СССР), В.Н.Аштаева (СССР). 3 е.: ил.

7. A.c. 1260664 СССР, МКИЗ G01 В 7/00. Способ преобразования перемещение-фаза/В.М.Чудов (СССР), Н.Д.Конаков (СССР), Т.И.Мурашкина (СССР).- 4с.: ил.

8. Афанасьев Ю.В. Феррозонды.- Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1969.- 166 с.

9. Бадеев А. В. Оптоэлектронный датчик перемещений/ Т. И. Мураш-кина, А. В. Бадеев // Датчики и системы. -2003. №5. - С.ЗО - 32.

10. Балакин C.B., Долгов Б.К., Филин В.М. Опыт эксплуатации систем контроля заправки жидкостных ракет как основа создания системы нового поколения // Датчики и системы. 2005. - №7. - С.10-17.

11. Бегунов Б. Н., Заказнов Н. П. Теория оптических систем. М.:

12. Машиностроение, 1973. 392 с.

13. Белкин М.Е., Шевцов Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем. М.: Радио и связь. 1992. - 224 с.

14. Бралшиков Н.И. Ультразвуковые методы.- M.-JL: Энергия, 1965,- 248 с.

15. Брусков A.M., Брусков В.М. Конструирование зеркально-призменных оптико-механических узлов. М.: Машиностроение, 1987.144 с.

16. Волохов В. Н. и др. Волоконно-оптический датчик уровня жидкости // Приборы и техника эксперимента.-1981.-№ 6.-С. 197-199.

17. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров. М.: Радио и связь, 1983. 176 с.17ГедаН.Ф. Измерение параметров приборов оптоэлектроники.-М.: Радио и связь, 1987. 368 с.

18. Гольдман B.C., Сахаров Ю.И. Индуктивно-частотные преобразователи неэлектрических величин. М.: Энергия, 1968. - 96 с.-(Б-ка по автоматике. Вып. 289).

19. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.- М.: Изд-во стандартов, 1980. 17 с.

20. Граевский, О.С. Способ снижения температурной погрешности оптоэлектронных уровнемеров/ О.С. Граевский, A.B. Бадеев, С.Н. Базыкин // Датчики и системы. -2010. №7.-С.10-15

21. Граевский, О.С. Исследование погрешностей волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа / О.С. Граевский,

22. А.В.Гориш, Д.А. Крючков, А.Г.Пивкин // Измерительная техника -2010.-№3

23. Граевский О.С. Новый способ измерения уровня жидкости/ О.С. Граевский, В.А. Бадеев // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп.— Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. Т. 1. - С. 419^121.

24. Граевский, О.С. Экспериментальные исследования оптоэлектрон-ного датчика уровня жидкости/ О.С. Граевский; Бадеев A.B., Е.С. Панькин // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 1. - С. 398-401.

25. Граевский, О.С. Волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости/ Д.И.Серебряков, Т.И. Мурашкина, О.С. Граевский, О.В. Юрова // Современная электроника. -2009. №6. - с.76 — 77.

26. Граевский, О.С. и др. Дифференциальный волоконно-оптический вибродатчик // Современная электроника. 2010. - №1.-С.36-37;

27. Граевский, О.С. Универсальный преобразователь оптических сигналов / A.B. Бадеев, О.С. Граевский, A.B. Гориш, Ю.Н. Макаров//Сборник трудов отраслевой НТК приборостроительных организаций Роскосмоса

28. Информационно-управляющие и измерительные системы» ЕЛО ИТ.-12-13 ноября 2009 г.

29. Граевский, О.С. Волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости/ О.С. Граевский, Д.И.Серебряков, Т.И. Мурашкина // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009.-T. 1.-C. 394-395.

30. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 384 с.

31. Добромыслов В.А., Румянцев C.B. Радиационная интроскопия.-М.: Атомиздат, 1972. 351 с.

32. Жилин В.Г. Волоконно-оптические преобразователи скорости и давления. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 112 с.

33. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с. - (Б-ка по автоматике. Вып. 670).

34. Иванина В. И., Каракчиев С. Н., Орлянский Н. В., Якунин И. А. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Технология. Технология приборостроения: Науч.-техн. сб. / ЦНТИ "Поиск". 1990. - Вып. 3. - С. 146-153.

35. Иванов В.И., Аксенов А.И., Кшин A.M. Полупроводниковыеоптоэлектронные приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 448 с.

36. Интегральная оптика/Под ред. Т. Тамира.- пер. с англ. М.: Мир,1978.

37. Кабардин О. Ф. Физика: Справ, материалы: Учеб. пособие для учащихся. 3-е изд. - М.: Просвещение. - 1991. - 303 с.

38. Капичин И.И. Оптико-электронные углоизмерителъные системы.-К.: Техника, 1986. 144 с.

39. Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. -М.: Энергия. 1971.-352 с.

40. Коган JI.H. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 208 с. i

41. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Изд-во стандартов, 1970. - 236 с.

42. Колтик Е.Д., Кравченко С.А. Измерение сдвига фаз электрических колебаний. М.: Машиностроение, 1973. - 64 с.

43. Колтик Е.Д. Фазосдвигающие устройства. М.: Изд-во стандартов, 1981. - 159 с.

44. Коптев Ю. Н., Гориш А. В. Датчиковая аппаратура для ракетно-космической техники // Радиотехника. 1995. - № 10. - С. 5-6.

45. Козлова Н. Д. Способы обработки сигнала в фазовых волоконно-оптических датчиках // Измерительная техника. 1991. - № 1. - С. 31 -33.

46. Конюхов Н. Е., Плютт А. А., Марков П. И. Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства. М.: Энергоатомиздат . - 1985. - 152 с.

47. Коняхин И. А., Панков Э. Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры: Справочник. М.: Недра. - 1991. - 224 с.

48. Конюхов Н.Е., Штат A.A., Марков П.И. Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1985.-152с. I

49. Коптев Ю. H., Гориш А. В. Датчиковая аппаратура для ракетно-космической техники //Радиотехника. 1995. - № 10. - С. 5-6.

50. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры. -Новосибирск: Наука, Сибирск. отд-ние, 1985. 182 с.

51. Кравцов Н.В., Стрельников Ю.В. Позиционно-чувствительные датчики оптических следящих систем. -М.: Наука. 1969.- 118 с.

52. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Г. Оптические измерения / Под ред. Д.Т. Пуряева. Учеб. пособие для оптических спец. вузов,- М.: Машиностроение. 1987. - 264 с.

53. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений: Учеб. пособие дая вузов. -М.: Энергоатомиздат. 1986. -447 с.

54. Лебедько Е.Г., Порфирьев Л.Ф., Хайтун Ф.И. Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. - 1984. - 191 с.

55. Легоньков В.А. Оптические средства операционного контроля функциональных узлов вычислительной техники // Измерения, контроль, автоматизация.- 1985. M (56).- С.19-27.

56. Лукошин А.П., Киренский И.Г., Петров О.В. Усилители на транзисторах со стабильным фазовыми характеристиками. М., Энергия. - 1973. - 112 с. - (Б-ка по радиоэлектронике. Вып. 43).

57. Марченко А.Н., Свечников C.B., Смовж А.К. Полупроводниковые сенсорные потенциометрические элементы. М.: Радио и связ. -, 1988.192 с.

58. Меркишин Г.В. Многооконные оптико-электронные датчики линейных размеров. -М.: Радио и связь. 1986. - 168 с.

59. Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии / А.М.Андрусенко, В.П.Данильченко, А.В.Прокопов и др. М.: Изд-во стандартов. - 1987. - 222 с.

60. Миранян С.А. Линеаризация характеристик термодатчиков спомощью микропроцессора // Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов: Межвуз. науч. сб. Уфа: Изд-во Уфимского авиац. ин-та. - 1984. -С.121 - 125.

61. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение . - 1977. - 600 с.

62. Мурашкина Т.Н., Конаков Н.Д. Амплитудно-фазовые датчики перемещений // Приборы и системы управления. 1989. - №8. - С.29 - 31.

63. Мурашкина Т. И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Радиотехника. 1995. - № 10. - С. 34-35.

64. Мухитдинов М.Н., Мусаев Э.С. Светоизлучаюгцие диоды и их применение. -М.: Радио и связь, 1988.-80 с.

65. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л.: Энергия. - 1968.-248 с.

66. Описание изобретения к авторскому свидетельству №1280329 СССР, МКИ в 01 Б 23/22 Волоконно-оптический уровнемер. Опубл. 30.12.86

67. Описание изобретения к авторскому свидетельству №2553190 Франция, МКИ О 01 Б 23/28 Устройство для' дистанционного контроля уровня жидкости. Опубл. 06.09.84. '

68. Описание изобретения к авторскому свидетельству №1275220 СССР. МКИ в 01 И 23/28. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. Опубл. 07.12.86.

69. Описание изобретения к авторскому1 свидетельству № 3247192 ФРГ, МКИ в 01 Б 23/04 Дискретный волоконно-оптический уровнемер. -Опубл. 05.07.84

70. Описание изобретения к авторскому свидетельству №431403 в 01 Б 23/04 Устройство для дистанционного измерения уровня жидкости /I

71. И.Ю. Васютинский и С.П. Буюкян.

72. Описание изобретения к авторскому свидетельству 811 1150488 О

73. Б 23/22 Волоконно-оптический датчик / В.А. Свиридин, Н.Ф. Богомолов

74. Оптические приборы в машиностроении. Справочник. М.: Машиностроение. - 1974. - 238 с.

75. Пароль Н. В., Кайдалов С. А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. - 112 е.- (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1168).

76. Полупроводниковые оптоэлектронные' приборы: Справочник / В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юмин. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448 с.

77. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра /И.Д.Анисимова, И.М.Викулин, Ф.А.Заитов, Ш.Д.Курмашев; Под ред. В.И.Стафеева. М.: Радио и связь. - 1984. - 216 с. I

78. Прикладная оптика: Учеб. пособие для приборостроительных специальностей вузов / Л. Г. Бебчук, Ю. В. Богачев, Н. П. Заказнов и др.; Под общ. ред. Н. П. Заказнова. М.: Машиностроение. - 1988. - 312 с.

79. Проектирование датчиков для измерения механических вели чин/Под ред. Е.П.Осадчего. -М.: Машиностроение.- 1979. -480 с.

80. Рождественский Ю.В., Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Волоконная оптика в авиационной и ракетной технике. Мг. Машиностроение. - 1977. - 168 с.

81. Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И. Градуировочная установка дляволоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости.// Автоматизация управления в технических системах. Межвуз. сб. науч. тр. — Вып.24. — Пенза: ИИЦ ПГУ 2005 С.197-202.

82. Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И., Кривулин Н.П. Расчет конструктивных параметров чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Авиакосмическое приборостроение. -2006. №7. - С.20-22

83. Свиридов В. А., Хотяинцев С. Н. Первичные преобразователи дискретных волоконно-оптических уровнемеров // Измерительная техника. 1990. - № 7. - С. 30-32.

84. Справочник по расчету и проектированию ARC — схем / Букаш-кин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под ред. A.A. Ланнэ. -М.: Радио и связь, 1989.-386 с.

85. Техника оптической связи: Фотоприемники: Пер. с англ. / Т38 Под ред. У. Тсанга. М.: мир, 1988. - 526 с.

86. Скрипник Ю.А. Методы преобразования и выделения измерительной информации из гармонических сигналов. Киев: Изд-во Наукова думка. - 1971. -276 с. i

87. Смирнов А.Д. Импульсная ультразвуковая измерительная аппаратура (Вопросы конструирования). М.: Энергия. - 1967. - 192 с.

88. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние. 1987. - 320 с.

89. Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения и фотоприемные устройства: Справ, для гражданского применения / Подред. Ушаковой. М.: НТЦ "Информатика", 1991. - 100 с.

90. Хомерики O.K. Применение гальваномагнитных датчиков в устройствах автоматики и измерений. М.: Энергия, 1971. -112с.

91. Шило B.JT. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Сов. Радио.- 979.368 с.

92. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. К.: Техшка, 1990. — 213 с.

93. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио. - 1980. - 392с.

94. Bucher A., Kist R., Ramakrishnan S., Unger L., Wolfelschnei- der H. Faseroptischer Wegsensor // Laser und Optoelektronik. 1989. - №21 (1). - P.P. 54-56.

95. A. Competitive Assessment of the US Fiber Optics Industry / Office of Telecoommunication US Deportment of Commerce // Fiber and Jntegr. Optics. 1986. - №4. Vol.6. P.P. 329-409.

96. Computer Des. // 1983. Vol. 22. - №1 - P.P. 75-80

97. Cimmino A., Davis T.J. A Simple 'Optical Transducer for the

98. Measurement of Small Vibration Amplitudes // Journ. Phus. t.: Sci Insrum. -1995.-Vol. 18.-P.P. 947-948

99. Garthe D. Ein rein optisches Mikrofon // Acustica. 1991. - Vol. 73 -№2. - S. 72-89.

100. Jones R. Optical techniques for inspection and sensing // Sensor review. 1984. - №3. - P.P. 116-119.

101. Ulrich R. Faseroptische Wegaufnehmer als Grundelemente fur Sensoren // Automatisirungstechn. Prax. 1985. Vol. 4. - № 3. - S. 117-123.