автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система с акустооптическим преобразователем для анализа и контроля водной среды

На правах рукописи

ИЛЬЯСОВ Ильнур Рустамович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С АКУСТООПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности и медицине)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Уфа-2013

005535666

005535666

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса» на кафедре машин, аппаратов, приборов и технологии сервиса.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники

Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор Ураксеев Марат Абдуллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Фетисов Владимир Станиславович профессор кафедры информационно-измерительной техники ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

доктор технических наук, доцент Сушко Борис Константинович

профессор кафедры статистической радиофизики и связи ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

нефтяной технический университет»

Защита состоится 8 ноября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационной технический университет» по адресу:

450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12, актовый зал ученого совета (1 корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет».

Автореферат разослан 1_ октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, доцент

А. В. Месропян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. С развитием современного индустриального общества с высокотехнологичной промышленностью, множеством мегаполисов и быстро растущей численностью населения возрастает антропогенное воздействие на окружающую среду, важнейшей составляющей которой является водная среда. Именно водная среда подвергается значительному негативному влиянию посредством индустриального воздействия и жизнедеятельности человека.

В последние годы ситуация осложняется уменьшением годовой суммы осадков в сочетании с нарастанием продолжительности и степени выраженности сухого периода, что приводит к понижению уровня грунтовых вод, а следовательно, к истощению водной среды. В этих условиях необходимо обеспечить высокое качество мониторинга водной среды с целью оперативного выполнения необходимых мероприятий по сохранению уровня ее загрязнения в пределах допустимых значений. В связи с этим возникает необходимость постоянного количественного и качественного анализа водной среды. Для обеспечения подобного анализа необходимы информационно-измерительные системы (ИИС) анализа и контроля водной среды (АКВС), важнейшим элементом которых являются измерительные преобразователи, от характеристик которых зависит качество ИИС в целом.

Существует множество различных измерительных преобразователей анализа водной среды, работающих на различных принципах (акустические, вибрационные, термокондуктометрические, электрометрические,

сверхвысокочастотные, ядерно-магнитно-резонансные, радиоактивные, рентгеновские, фотометрические, электрооптические, фотоакустические, микроскопические, оптические). Однако они не соответствуют в полной мере современным требованиям в отношении точности, номенклатуре измеряемых веществ, стабильности характеристик, скорости измерений, возможности дистанционных измерений, помехоустойчивости, устойчивости к изменению параметров окружающей среды, чувствительности, универсальности и надежности.

В результате проведенного сравнительного анализа различных измерительных преобразователей научно обоснована перспективность создания измерительных преобразователей на основе акустооптического эффекта, обладающих следующими преимуществами: быстродействие, высокая чувствительность, точность, помехоустойчивость, селективность, возможность дистанционного мониторинга водной среды, надежность, малый вес и габариты.

Таким образом, исследование и разработка информационно-измерительных систем с акустооптическими преобразователями (АОП) для анализа и контроля водной среды, обладающих улучшенными характеристиками, является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ на тему «Акустооптические приборы информационно-измерительных

систем экологического мониторинга» (2009, 2010)

в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса».

Степень разработанности темы исследования. Вопросам исследования, расчета и конструирования ИИС АКВС с АОП посвящены научные работы отечественных и зарубежных исследователей: В. И. Балакшего, В. И. Пустовойта, В. Э. Пожара, M. М. Мазура, А. Е. Отливанчика, Г. Н. Жижиной, В. Н. Шориной, Б. В. Никифоровой, В. Н. Жогуна, 3. А. Магомедова, С. В. Боритко, А. А. Балашова, В. А. Суворова, Г. Н. Шкроба, И. Б. Кутузу, Н. А. Лопухова, А. В. Перчика, В. И. Букатого, К. В. Петренко, Klein W.R., Cook B.D., Chang I.C., Damon R.W., Gordon E.I., Young E.H., Feigolson R.S., Uchida N., Yano Т. и других.

Но несмотря на обширные исследования, в них нет систематизации технических решений по построению ИИС АКВС с АОП, нет специальной математической модели, недостаточно внимания уделено исследованию основных характеристик, анализу погрешностей ИИС АКВС с АОП. Данные исследования необходимы при создании новых ИИС с АОП для АКВС, обладающих улучшенными характеристиками (быстродействием, точностью, чувствительностью, надежностью, универсальностью, селективностью) по сравнению с существующими ИИС АКВС, и их использовании в системах управления производственными процессами и экологическом мониторинге водной среды.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы - разработка и исследование информационно-измерительной системы с акустооптическим преобразователем для анализа и контроля водной среды, обладающей высокой точностью, чувствительностью, быстродействием, надежностью и функциональностью.

Для достижения поставленной цели в работе были определены и решены следующие задачи:

1. Сравнительный анализ существующих методов и технических средств анализа и контроля водной среды, разработка технических решений построения ИИС АКВС с АОП.

2. Разработка математической модели ИИС АКВС с АОП.

3. Анализ основных характеристик ИИС АКВС с АОП и их зависимости от внешних воздействий. Исследование погрешностей ИИС АКВС, анализ источников их возникновения, разработка рекомендаций по их уменьшению.

4. Экспериментальные исследования опытного образца ИИС АКВС с АОП, анализ полученных результатов. Разработка универсальной методики проектирования АОП для ИИС АКВС.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель ИИС АКВС с АОП, устанавливающая зависимость напряжения на выходе многоэлементного фотоприемника от качественной и количественной составляющих исследуемой водной среды и структурных элементов ИИС.

2. Получены аналитические зависимости основных характеристик ИИС АКВС с АОП, разработана классификация погрешностей, выявлены источники их возникновения и приведены результаты моделирования, даны рекомендации по их уменьшению.

3. Разработан новый адаптивный алгоритм функционирования ИИС АКВС с АОП, позволяющий повысить точность и расширить функциональные возможности ИИС, автоматизировать процесс исследования и обработки полученных результатов. Создано программное обеспечение на основе данного алгоритма (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615310).

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработаны технические решения построения ИИС АКВС с АОП, позволяющие улучшить их характеристики на этапе проектирования. Созданы два устройства анализа водной среды для ИИС АКВС, которые могут быть использованы для дистанционного анализа, контроля и экологического мониторинга водной среды, защищенные патентами РФ на полезную модель №101213 и №101194.

2. Разработаны теоретические положения расчета и проектирования ИИС АКВС с АОП, включающие математическую модель, аналитические выражения основных характеристик, результаты исследования погрешностей и рекомендации по их уменьшению, методику проектирования, которые позволяют создавать ИИС с АОП для АКВС, соответствующие предъявляемым требованиям.

3. Основные результаты и положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», а также в производственные процессы ООО Экспертно-производственный центр «Трубопроводсервис», ООО «Измерение», ООО «Электро-Н».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические положения и экспериментальные исследования акустооптики, акустооптической спектрометрии, теории переноса излучения, теории электромагнитного излучения и его поглощения и других. При разработке математической модели и моделировании был использован программный пакет «МаНаЬ».

Положения, выносимые на защиту:

1. Технические решения построения ИИС АКВС с АОП.

2. Математическая модель ИИС АКВС с АОП.

3. Результаты исследования основных характеристик и погрешностей ИИС АКВС с АОП.

4. Адаптивный алгоритм функционирования ИИС АКВС с АОП. Результаты экспериментальных исследований и методика проектирования ИИС АКВС с АОП.

Степень достоверности результатов работы подтверждается корректным использованием математического аппарата, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования, комплексом экспериментальных

исследований, хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на: VI Республиканской научно-практической конференции

«Научное и экологическое обеспечение современных технологий» (г. Уфа, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Инновационный потенциал молодежной науки» (г. Уфа, 2009 г.);

VI Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, 2009 г.); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (г. Ульяновск, 2009 г.); IV Международной конференции-выставке «Экологические системы, приборы и чистые технологии» (г. Москва, 2010 г.);

VII Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа 2010 г.); II Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г.Уфа 2010 г.); VIII Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа 2011 г.). В 2011 г. автор стал лауреатом конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса» в секции «Механика и технология сервиса». В 2013 г. диссертационная работа заняла I место на конкурсе интеллектуальной собственности в ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» и рекомендована к практическому внедрению на объектах компании.

Публикации по теме диссертации.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 22 научных печатных работах, из них 8 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК, 2 патента РФ на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 156 страниц машинописного текста, библиографический список из 117 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются цель и основные задачи исследования, приводятся выносимые на защиту положения, апробация, структура работы и краткое содержание работы по главам.

В первой главе проведен сравнительный анализ существующих методов и технических средств анализа и контроля водной среды. Подробно рассмотрен каждый из методов и устройства, работающие на их основе, приведены структурные схемы, описаны принципы работы, выявлены достоинства

и недостатки. В результате проведенного сравнительного анализа устройств анализа и контроля водной среды по их технико-экономическим и эксплуатационным характеристикам установлено, что акустооптические устройства анализа водной среды обладают улучшенными характеристиками по сравнению с существующими устройствами, и являются незаменимыми при проектировании и использовании в ИИС АКВС. При этом выявлено, что в информации о существующих ИИС АКВС, опубликованной в научно-технической литературе и периодических изданиях, отсутствует систематизация технических решений по построению и проектированию ИИС АКВС с АОП, нет описания их конструктивных и функциональных возможностей. Недостаточность экспериментальных и теоретических исследований не позволяет проектировать и создавать ИИС с АОП для АКВС с заданными характеристиками и интегрировать их в уже существующие системы. Таким образом, выявлена необходимость создания новых ИИС с измерительными преобразователями, работающими на основе акустооптического эффекта, для оперативного анализа и контроля водной среды.

В результате проведенного анализа отечественной и зарубежной научно-технической и периодической литературы были разработаны технические решения построения ИИС АКВС с АОП (рисунок 1).

Рисунок 1 - Классификация технических решений построения ИИС АКВС с АОП

Вторая глава посвящена разработке математической модели ИИС АКВС с АОП. Также разработаны структурная схема (рисунок 2) и функциональная схема ИИС АКВС с АОП (рисунок 3), представляющие собой графическое изображение ИИС в виде совокупности основных

элементов, на которые ее можно разделить по определённым признакам, и связей между этими элементами.

Рисунок 2 - Структурная схема ИИС АКВС с АОП: 1 - источник питания; 2 - источник излучения; 3 - кювета с исследуемой жидкостью; 4 - входной оптический блок; 5 - двойной акустооптический монохроматор; 6 - выходной оптический блок; 7 - многоэлементный фотоприемник; 8 - персональный компьютер; 9 - генератор высокой частоты; 10 - пьезоэлектрический преобразователь

Принцип действия ИИС АКВС с АОП показан на рисунке 3.

Рисунок 3 - Функциональная схема ИИС АКВС с АОП: 1 - источник излучения; 2 - кювета с исследуемой водной средой; 3 - ДАОМ; 4 - пьезоэлектрический преобразователь; 5 - поглотитель упругой волны; 6 - управляющий ВЧ сигнал; 7 - многоэлементный фотоприемник; 8 - персональный компьютер

Излучение, создаваемое источником излучения, проходит через кювету с исследуемой жидкостью и поступает в ДАОМ, состоящий из двух акустооптических перестраиваемых фильтров (АОПФ). Сигнал постоянного напряжения, пропорциональный частоте ВЧ сигнала и длине волны настройки (пропускания) ДАОМ, подаётся с выхода генератора высокой частоты на ДАОМ. Смена частоты ВЧ сигнала приводит к перестраиванию АОПФ, входящих в состав ДАОМ. Сигнал, прошедший через ДАОМ, поступает на вход многоэлементного фотоприемника, который считывает спектральную информацию о световой волне после выхода с ДАОМ, производит ее усиление и оцифровку.

Далее производится передача полученных данных в персональный компьютер, где происходит анализ спектральной информации о поглощении

водной среды и их обработка с целью проведения качественного и количественного анализа исследуемой водной среды.

Модель акустооптического взаимодействия в ИИС АКВС представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Модель акустооптического взаимодействия в ИИС АКВС: 1 - источник излучения; 2 - исследуемая водная среда; 3 - ДАОМ; 4 - фотоприемник

От источника света на кювету с исследуемой водной средой толщиной I падает под углом 90 и распространяется вдоль оптической оси z плоская монохроматическая световая волна, которую можно представить в виде:

е0 = Eoexp[y'(*:0xcose^£0zsin90-a)00], (1)

где Е0 - амплитуда световой волны; Юо — частота световой волны; к0 = 2ппА - волновое число.

Мощность излучения, падающего на исследуемую водную среду, может быть представлена в виде:

Р0 = etc[E,exp(j(kBcos eo+*0zsin 0о-шог))]2. (2)

В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера мощность светового излучения, пропущенного через кювету, можно представить в виде:

P(z) = Р0

P(z) = £0с[£„ехр (./•(£„ COS е0+ kaz sin 0О— со„0)Г ехр^- -рг5^, (3)

где Р0 - мощность падающего монохроматического излучения; 5 - коэффициент поглощения исследуемой водной среды; z - расстояние, пройденное излучением; N - количество вещества (моль) в единице объема V (литр).

Световая волна, попадающая на акустооптический монохроматор, будет иметь вид:

е, = ехр[у'(&, cos 0О+ ¿,zsin 0О— со, f)]> ^

где Ei - амплитуда световой волны, прошедшей через исследуемую водную среду; 0О - угол между оптической осью и направлением распространения световой волны; СО] - частота прошедшей световой волны; к/ - частота прошедшей световой волны.

В свою очередь, в акустооптической ячейке образуется акустическая волна при подаче на вход пьезопреобразователя гармонического колебания в виде:

e2 = r(x)R(z)Uexp(j(flt-K0x)), (5)

[1 , Ы<0.5/? 1 , Ы<0.5£

где г(х) = < . Д(гМ

[0 , |*|>0.5Я [0 , |г| >0.5£

где I, и С - длина и диаметр области взаимодействия световой и звуковой

волны; £2 - частота акустической волны; К„ - волновое число акустической

волны.

При этом, в результате дифракции световой волны при взаимодействии с акустической волной е2 образуется дифрагированная волна е3

еъ = г(;с)£зА(0,со|)ехр( к1 соб 90+ /с,г 5т90- со. О* ^

хыр0(П1- Ко(х + 0.50))) где ш,) - комплексный коэффициент передачи акустооптического

взаимодействия.

Таким образом, мощность излучения, падающего на фотоприемник, равна Р{1) = е0 с х [г(х)£'3А(£2,с),)ехр( к1 соз 9, + ят 9,- ш, г)х

х ехр 0"(П I - кс(х + 0.50)) ХР х ехр -^-5 г^ ' (?)

Напряжение на выходе фотоприемника определяется следующим выражением

и„=51гРЯы (8)

где - статическая интегральная токовая чувствительность;

/?Л- - сопротивление обратной связи.

Напряжение на выходе фотодиодной линейки многоэлементного фотоприемника иош в общем виде равно

N

1ФД

иош --(9)

С учетом формул (7), (8) выражение (9) примет вид

хД^у Х£0 сх[г(х)Е1А№(й1)ехр(к1 соБЙ^^гвтЭ^е), г)х

(10)

{/...

хех]

х

/V ¿=1

рО(П I - К0 (л: + 0.50)))]2 х ехр^— ^ 5 г^

Здесь - полный световой поток, падающий на многоэлементный

/=1

фотоприемник.

Из формулы (10) получим выражение для коэффициента поглощения исследуемой волной среды

(II)

5 = 1п

]ГФ, х5, х/?д, хе0гх[г(.т)£,Л(11ш,)ехр(А, сояО, + А,-з^пО,-со,/)х

схехр(у(П>-Л',и-Ю.5/»)) V Г л 1

№ l_.MaTbc.wJ

Для проведения количественного анализа концентрация веществ - загрязнителей находится но закону Ьугсра-Лачберта-Ьера

г -1 (12)

моль

где Е0 - амплитуда падающей свстовой волны: Е, - амплитуда прошедшей через кювету световой волны: 6 - коэффициент поглощения исследуемой водной среды: / - толщина кюветы.

Таким образом, полученные выражения (II) и (12) являются математической моделью ИИС АКВС с АОП. Полученные выражения были промоделированы с использованием программного продукта «Ма(1аЬ» для получения графической зависимости (рисунок 5).

6, лмоль'-см'ю1

1000

ю о

макс, им

Рисунок 5 - Зависимость выходною напряжения многоэлементного фотоприемника от длины волны максимума поглощения и вычисляемого молярного коэффициента светопо!лощения

В третьей главе рассмотрены и исследованы основные характеристики ИИС ЛКВС с ДОП. Статическая характеристика является одной из основных метрологических характеристик преобразователя и представляет собой зависимость сигнала на выходе в статическом режиме от поступившего входного сигнала.

Рабочая статическая характеристика ИИС ЛКВС с АОП в обшем случае при наличии одного исследуемого и одного неисследуемого веществ имеет вид

/.(*>- *п - * е«> -' - 4Смь>'» 1+у. <|3>

где Ру[т).Ру{тн) - функции спектрального поглощения исследуемого и неисследуемого всшсств: } и 1„ - факторы спектральной настройки для указанных всшеств: К - обобщенный параметр АОП: V - шум измерительного канала.

Динамические характеристики описывают ИИС ЛКВС как инерционную систему, с помощью которых можно рассчитать временную зависимость выходной величины от изменения входной величины и получить оценку погрешностей, обусловленных инерционностью всей ИИС.

Сигнал на выходе измерительного каната в целом может быть представлен с помощью функции ) в виде

+*»>:= <*+ди-«Я*-.) (14)

Динамическая погрешность равна

и' (15)

пТ

Таким образом, на основании формулы (15) по конкретным значениям временного ряда, полученного в результате измерений, можно вычислить оценку погрешности в каждый момент времени и пТ. Быстродействие ИИС АКВС с АОП ограничивается временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка в кристалле диоксида теллура скорость звуковой волны равна 5.5 км/сек. и при диаметре светового луча 3 мм быстродействие равно 0.54> 10А сек.

Были проанатнзированы источники погрешностей ИИС АКВС с АОП, разработана их классификация. Описана природа возникновения этих погрешностей, дана их аналитическая характеристика и рекомендации по уменьшению. Таким образом, расчетная результирующая погрешность измерительного каната ИИС АКВС с АОП равна 0.45%. что является допустимым значением.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований опытного образна ИИС АКВС с АОП с целью подтверждения теоретических положений, проведена обработка результатов с помощью разработанного автором программного обеспечения, разработана методика проектирования и описаны основные этапы создания АОП в составе ИИС АКВС. При экспериментальных исследованиях проведен ряд прямых измерений с многократными наблюдениями с последующей обработкой полученных результатов. Для выполнения эксперимента в автоматическом

режиме, анализа и обработки палу ченных данных была создана программа для ')ВМ с адаптивным алгоритмом функционирования ИИС ЛКВС с ЛОП. Проверка математической модели по критерию Фишера подтвердила ее адекватность.

Па рисунке 6 приведены экспериментальная 1 и теоретическая 2 зависимости выходного напряжения многоэлементного фотоприемника (МЭФ)

О 200 -НИ) 61Ю 800 1000 1200

ем

>ксп^>11мснтлл).нля ♦Т«ч»тпеская

Рису нок 6 - Теоретические и экспериментальные выходные характеристики многоэлементного фотоприемника

Таким образом, достоверность разработанных теоретических положений подтверждается экспериментальными исследованиями. Основная приведенная погрешность равна 4%. максимальное расхождение экспериментальных и расчетных результатов составило 14 % в диапазоне от 200 до 950 нм.

На рнонкс 7 представлена графическая зависимость приведенной погрешности у. % от входной величины и среднего арифметического значения напряжения на выходе М')Ф ит.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили достоверность теоретических расчетов, положений, адекватность н технические характеристики разработанной ИИС АКВС с АОГ1. возможность ее реализации и применения для решения практических прикладных задач анализа и контроля волной среды.

Рисунок 7 - Зависимость приведенной погрешности от входной величины и среднего арифметического значения напряжения на выходе многоэлсмснтното фотиириемника

Автором разработана универсальная методика. позволяющая осуществлять проектирование акустооптических преобразователей различных схем построения для ИИС АКВС.

В 1аклм>чсннм сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

В приложении приведены копии патентов на разработанные автором устройства, акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. Проведен сравнительный анализ существующих методов и технических средств анализа водной срсды. Научно обоснована перспективность создания акустооптических преобразователей анализа и контроля водной срсды. обладающих улучшенными техническими, функциональными и эксплуатационными характеристиками н позволяющих значительно у лу чшить качество ИИС посредством их применения. Разработаны и систематизированы технические решения построения ИИС АКВС с АОП. позволяющие создавать на этапе проектирования информационно-измерительные системы с улучшенными характеристики за счет выбора более рациональной конструкции. На оснсвс разработанных технических решений

созданы два новых устройства АКВС (патенты РФ на ПМ №101213 и №101194).

2. Разработана математическая модель ИИС АКВС с АОП, устанавливающая зависимость напряжения на выходе многоэлементного фотоприемника от качественной и количественной составляющих исследуемой водной среды и структурных элементов ИИС. Проверена и подтверждена адекватность полученной математической модели по критерию Фишера.

3. Исследованы основные характеристики ИИС АКВС с АОП. Получены аналитические зависимости статических характеристик, представляющие собой зависимость выходного напряжения от характеристик элементов ИИС АКВС, чувствительности и характеристик исследуемой водной среды. Получены динамические зависимости, с помощью которых можно рассчитать временную зависимость выходной величины от изменения входной величины и получить оценку погрешностей, обусловленных инерционностью всей ИИС. Быстродействие ИИС АКВС с АОП ограничивается временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка и равно 0,54-10"6 сек.

Установлено, что основным источником погрешностей являются систематические и методические погрешности. Выявлена природа возникновения погрешностей, разработана их классификация, дана аналитическая характеристика и рекомендации по их уменьшению. Рассчитана полная погрешность ИИС АКВС с АОП равная 0,45%, что является допустимым значением.

4. Проведены экспериментальные исследования опытного образца ИИС АКВС с АОП, в результате которых установлено, что основная приведенная погрешность равна 4%, максимальное расхождение между экспериментальными и расчетными данными в диапазоне от 200 до 950 нм составило 14 %. Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили теоретические положения, расчеты, адекватность и технические характеристики разработанной ИИС АКВС с АОП, возможность ее реализации и применения для решения практических задач.

Разработан новый адаптивный алгоритм функционирования ИИС АКВС с АОП, позволяющий повысить точность и расширить функциональные возможности ИИС, автоматизировать процесс исследования и обработки полученных результатов. Создано программное обеспечение на основе данного алгоритма (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615310).

Разработана универсальная методика, позволяющая проектировать акустооптические преобразователи различных схем построения и создавать ИИС АКВС с АОП, обладающие всеми необходимыми характеристиками для решения производственных и экологических проблем водной среды.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В центральных рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК

1. Ильясов, И. Р. Основные этапы становления и развития акустооптики в XX веке / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, Р. Г. Фаррахов, М. А. Ураксеев // История науки и техники. - 2010. - №3, (спец. выпуск №1). - С. 34 - 37.

2. Ильясов, И. Р. Становление и развитие акустооптических методов и средств информационно-измерительных систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // История науки и техники. - 2010. -№6 (спец. выпуск №2). - С. 132 - 136.

3. Ильясов, И. Р. Современные методы и аппаратные средства для систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Экологические системы и приборы. - 2010. - №5. - С. 20-23.

4. Ильясов, И. Р. Система мониторинга водной среды на основе акустооптического спектрометра / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2010. -№7.-С. 46 - 48.

5. Ильясов, И. Р. Классификация и сравнительный анализ существующих спектрометров для информационно-измерительных систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2010. - №4 (12). - С. 16 - 23.

6. Ильясов, И. Р. Принципы построения акустооптических спектрометров для информационно-измерительных систем анализа водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев И Датчики и системы. - 2011. - № 9. - С. 25-29.

7. Ильясов, И. Р. Математическая модель акустооптического преобразователя для информационно-измерительной системы анализа водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Датчики и системы. -2012-№12.-С. 28-30.

8. Ильясов, И.Р. Акустооптические измерительные преобразователи для информационно-измерительных систем анализа водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013 - №2. - С. 50 - 54.

Патенты РФ и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

9. Патент РФ №101213 на ПМ. Акустооптический спектрометр для экологического мониторинга водной среды / Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». - Заявка №2010127992/28 от 06.07.2010г.

10. Патент РФ №101194 на ПМ. Акустооптический водоанализатор / Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А.; заявитель и

патентообладатель ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». - Заявка №2010128152/28 от 07.07.2010г.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615310 «Управление, анализ и обработка результатов измерения акустооптическим преобразователем» / Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А.; заявители и правообладатели Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А. заявка № 2012611806 от 12.03.2012г.

В других изданиях

12. Ильясов, И. Р. Акустооптические устройства и их применение / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и наукоемкие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безопасности: Сб. ст. научно-практ. конф.- Уфа: УГНТУ, 2009. - 216 с.

13. Ильясов, И. Р. Современные акустооптические датчики / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновационный потенциал молодежной науки: Сб. ст. научно-практ. конф. - Уфа: БГПУ, 2009. - 250 с.

14. Ильясов, И. Р. Акустооптика и устройства анализа окружающей сред / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Научное и экологическое обеспечение современных технологий: Материалы VI Республиканской научно-практической конференции. - Уфа: УГАЭС, 2009. - 157 с.

15. Ильясов, И. Р. Акустооптические устройства анализа и экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и перспективы сервиса: Сб. науч. ст. VI Международной научно-технической конференции. - Уфа: УГАЭС, 2009 г. - 388с.

16. Ильясов, И. Р. Использование акустооптического спектрометра для определения концентрации этилового спирта в водных растворах / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и перспективы сервиса: Сб. науч. ст. VI Международной научно-технической конференции. - Уфа: УГАЭС, 2009 г. - 388с.

17. Ильясов, И. Р. Акустооптические устройства для обработки информации в бортовых встраиваемых системах / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации»: Сб. науч. тр. Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. - Ульяновск: УГТУ, 2009.-214 с.

18. Ильясов, И. Р. Акустооптические преобразователи в информационно-измерительных системах / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Электронные устройства и системы: межвуз. науч. сб. - Уфа: УГАТУ, 2010. - 323 с.

19. Ильясов, И. Р. Акустооптический водоанализатор: понятие и перспективы применения в информационно-измерительных системах экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и перспективы сервиса: Сб. науч. ст. VII Международной научно-технической конференции. - Уфа: УГАЭС, 2010. - 289с.

20. Ильясов, И. Р. Двойной акустооптический монохроматор как ключевой элемент акустооптического спектрометра для информационно-измерительных систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. ст. - Уфа: УГНТУ, 2010. - №35. - 257.

21. Ильясов, И. Р. Акустооптический спектрометр как ключевой элемент информационно-измерительной системы анализа водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и перспективы сервиса: Сб. науч. ст VIII Международной научно-технической конференции. - Уфа: УГАЭС, 2011.-328с.

22. Ильясов, И. Р. Акустооптический спектрометрический комплекс для систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов // Научные горизонты экономики и сервиса: Сб. матер. V открытого конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным наукам. - Уфа: УГАЭС, 2011. - 187 с.

Диссертант у/ / /V ) Ильясов И. Р.

¿/Шлё^у

ИЛЬЯСОВ Ильнур Рустамович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С АКУСТООПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Специальность: 05 Л1Л 6 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности и медицине)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 04Л0.2013.Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 539. ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Редакционно-издательский комплекс УГАТУ

450000, г. Уфа, ул. К.Маркса, 12