автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование методов и разработка оптоэлектронных приборов контроля параметров жидких сред

РГ6 од

2 8 шоп 199£мдвдькии гкштехнгшии шститут

ДОСЛ1ДЮПШ МЕТОДIВ ТА РОЗРОБКА 0ПТ0ЕЛККТР01ПШ ПР1ШД1В КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТР1В ИДЮШИХ' СЕРЕДОВ1Щ

СпеЩальШсть 05.11.13 - прилади та ивтоди контролю природного середовища, речовин, иатер!ал1в та вироб!в

Автореферат дисертацП на эдобуття наукового ступеня кандидата технИних наук

На правах рукопису

ДОВГАЛЕЦЬ СЕРГШ МИХАИЛОВИЧ

В1Н1ШЦЯ, 1993.

Робота виконана на кафодр! аьтомаг-ики та 1иформацШ вим1рювалыюг техниад В1шшцького пол1тешчного 1нституту.

Науковий коршшк:

0фЩ1йн! опонвнти:

доктор техШчних наук, профасор Кравченко и.и., кандидат техн!чних наук, доцент Пуцило В.Т.

Прошдна устшюьа: 1Ш0 Кигвський шетитут автоматики.

на зас1данн1 спадал! зовано! ьчено! ради К 068.34.01 В1нницькому по!л!текн4чному Шетитут! ( 286021, м.ВГншш Хмельницькв шосе, 96, ВПТ).

О дисертатею мокна ознайомитиеь в б1блютицг Вшшцько пол1техн!чного 1нституту.

Автореферат розЮланий _^ 1993 р,

Вчвний секрвтар

доктор техн!чних наук, професор Байда Ы.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ -

АктуальШсть роботи. Однгею з . проблем. аьтоматизацИ контролю ф1зико-х!м1чних параметр1Б. р1дашних -середоъищ в необхшисть використання первинних пбрвтворювач!в будъ-яких ф!зичних величин.

До них ставляться специф1чн! вимоги збереження працездатност! при наявност! потужних електромагнП'них пол£в, у недосякних м|сцях 1 забезпвчення пожожб-'та вибуховобезпечности. У под1бних уновах, як первинний внмГрювалышП перетворювач, перспективним е використання д1елвктричних хвилевод!в оптичного дтапазону. Нин! елементи , св!тловодно! техшки широко використовуються п!д чао створення р!эних пристрогв рвфрактомвтричного контролю таких парамотр!в р!динних середовшц, як-то: температура, склад, концентрами, тиск, р!вень тощо. Однак б!льш!сть з них в досить складними або здатни виконувати т1льки дискретн! вим1рювання. Тому роэробка свгтловодних пристротв рвфрактомвтричного контролю параметра р1динних свредовищ, як! змШюються у широкому д!апазон!, е завданням ввкливим I актуальним.'

Розроблен! у дан!й робот! св!тловодн! рефрактометричн! вим!рювальн! перетБорювач! (СРП) в!др!зняються простотой конструкц!т ! низькою варт!стю. Як чутливий елемонт доних пристрогв пропонуеться використання трьохшарових св!тловод!в (ТС), як! складаються 1з хвильоводних стержня 1 плгвки з б!льш високим показником заломлювення.

Треба в!значити, що нин! не 1снув узагальнюючого п!дходу до розробки математичних моделей д!електричних хвилевод!в оптичного

- ч -

д!апазону. Б!льш!сть з Гснуючих до нин! моделей створювалйсь т!льки п1д конкрвтн! пристрот, * тх використання при досл!даенн! 1ншйх переТворивач^Е 1стотно ускладнюеться. Окргм того, використання приблнзшх метод!в геометричноГ оптики у багатьох •моделях !стотно ускладные'процес нроектувашя. Тому актуальною е розробка узагальнено* математичнот модели сЫтлопропускання св!тловод!в, яка дозволяв розрахувзти хвилеводн! характеристики широкого класу Юнуючих св!тловодних структур, що використойуються як чутлив: ЙЛвИвНТИ пристротв рвфрактометричного контролю.

Мета роботи. Дана робота направлена на дослгдження оптичних Еласти^остей ТС i розробку на цьому грунт1 оптоелектронних пристрогв контролю параметр^ р!дштих середовша рефрактомотричного тгау.

Задач! досл!д&ень. Для досягнення вказанот мети вир!шумться наступи! частков! задач!:

1. АналГтичний огляд Гснуючих метод!ь рефрактометричного контролю параметрГв ршшних середовшц.

2. Розробка та досл!дження математичнот модел! взаемодИ оптичного випром1шивання з ТС прямокутного та круглого перетину, виб!р схеми СРП 1 розробка його математичног модел!.

3. Проведения теоретичних дослШень св!тлопронускання ТС при р!зних показниках .заломлюсання зовншнього середовища, параметрах плавки, та.довжинах хвиль випром!нювання.

4. Анал!з похибок разробленого первинного перетворювача I розробка схемо-техн!чних р!шеньтдля тх зниження.

5. Проведения . експериментальнот перев!рки розроблених математичних моделей.

6. Розробка алгоритму проектування СР1^ .

7. Реал1зац1я результат!в досл1джень I: розроблоних пристротв у промисловост!..

Метода дослщвнь. В ход! . виконання роботи використовувались анал1тичн!, числов! та експериментальн! метода доел{давнь. Творетичн! дослШення грунтувались на законах влектродинамгки в сполученн! з законами алгебри лоПки та числового моделювання на ЕОМ. Експериментальна перев!рка теоретичних полокень проводилась 1з з^лученням сг сучасног виы1рювально! апаратури.

Наукова новизна роботи:

1. Розроблен! Т досл!джен1 математичн! модел! ТС, що дозьоляють розраховувати хвилеводн! характеристики широкого класу: 1снуючих св1тловодних структур.

2. Отримани вирази, що дозволлють узагалышти додержан! характеристичн! р!вняння у випадку вигнутих св1тлое.од1в, розроблений алгоритм автоматизованого.проектування СРП.

3. Розроблен! 1 досл1джен! модвл! СРП для {зотрогоюго та д!Фуз1йного джерел випром1нювання, визначен! тх основн! параметри.

'4. Досл1джена залежн!сть хвилеводних характеристик ТС в!д показник!в .заломлювання навколгашього середовища, хвилеводног шИвки, II товщини 1 довхини хвил! випром{нювання, ио розповсюджуеться, отримана умова, яка дозволяв визначити параметри св!тловодного чутливого елемента з найб!льшою чутливютю.

Практична Ц1нн!сть роботи полягав в наступному: 1. Отриман! аналттичн! вирази I методика розрахунку

свттлопропускання ТС, яка задов!льно узгоджуеться з експериментальними даними.

2. , Вказан! модел! дозволили створити перьинний перетворювач темцератури р!динних середовищ, що дав поширен! функциональн! мошшвост!.

3. Отримана узагальнююча математична модель, що дозволяв розраховувати 1 парпметри . широкого класу св!тловодних перетворювач!в рвфрактометричного типу.

,'4. Запропонований алгоритм автоматизованого проектування СРП, що дозволив визначити оптимальну структуру перетворювача 1 параметри св!тловодного чутливого елементу.

Раал!зац!я результат!в роботи. Резульгати досл!джень знайшли використання п!д час створепня ! запровадження ттрилада контролю температури на основ! ТС на завод! зал1зобвтонних вироб!в (ВШшцька обл.) з економ!чним ефвктом 13 тис. 500 крб. щор!чно (у ц!нах 1991 року), а .також впровадаени в навчальний процвс при викладанн! дисцишин "МетролоПя" та "Вишрювання неелвктричних величин". • На захист ьинесено;

1. Матвматичн! модвл! круглого I ирямокутного ТС, а тако* узагальнююча модель для розрахунку хвилеводних характеристик оптичного випром!ндаання на виход1 ТС, що отриман! методами електродшшм1ки.

2. Математична модель СРП на основ! ТС, що дозволяв проектувати перетворювач! з прогнозоьоними характеристиками.

3. Результати експериментальних досл!джень св!тлопропускання ТС 1 СРП на Гх основ!, а такок анал!зу впливу дестаб!л!зуючих фактор!в на похибку прилад!в ! метода и зменшення.

4. Алгоритм проектування СРП параметр!в ргдинних сервдоввд.

5. Практична використання результате теоретичних . експериментальних досл!дкень.

Апробац!я роботи. Основн! положения дисвртац!х допов!дадась I обговорювались на: Всесоюзному сем!нар! "Кикроадектрс^ датчики" (Ульяновськ, 1988р.); Всесоюзному сэмгнвр! "Застосування оптико- елвктронних прилад!в та волоконног опткси у народному господарств!" (Москва, 1983р.); 3-ому Всесоюзному семПшр! "Електронн! датчики" (Ужгород, '1989р.); Ксасоизн!й конференцН "Оптико-електронн! вим!рювальн! пристрог I скстеиг" (Томськ, 1989р.); 1-й ! 2-й Всосоюзних конференц!ях "Ф!зичн! проблеми оптичного зв'язку" (Севастополь, 1990 I 19Э1рр.}; Всесоюзному семинар! "САЙР у машинобудуванн!" (Ульяновськ, 1990р.); ВсесоюзШй конференцП "Швидкод!юч1 елементи 1 прпстро! волоконно-оптичних 1 лазерних 1нформац!йних систем" (Севастополь, 1990р.); Всесоюзному сем!нор! "Оптико-електронн! метода ! засоби в контрольно- вим!рювальн!й техн!ц!" (Москва, 1991р.), а такок на науково- мвтодичн!х ко№{йренц!ях В1нницького пол!техн!чного !нституту та сем!нарах кафэдри автоматики та !Нформац!йно-вим!рювально1 техн!ки ВП1.

Публ!кац!Г. Основн1 результати досл!дкень опубл!ковян! у ш!стьнадцати роботах, у тому ч!сл! одному авторському св!доцтв! 1 одному позитивному р!шенн! по заавц! на винах!д.

Структура 1 об'ем роботи^ Дисертац!я мае в своему склад!: вступ, п'ять розд!л!в ! висновок, як! виклад'н! на 156 стор!нках машинописного тексту, мютить б!бл!ограф!ю з 129 найменувпнь, с!м додатк!в, включав 36 рисунк!в I 3 таблиц!.

СТИСЛИИ ЗМ1СТ РОБОТИ

У вступ! . дана эагальна характеристика диоортацШгот роботи,обгрунтована актуальнЮть досл!джень, сфйрмульован! мета, задач! досд!джень 1 основк! положения, що виносяться на захист, ттоданий короткий зм!ст роботи.

Перший розд!л присвячений анал!зу сучасного стану пристро!в контролю показника заломлювання р!динних сервдовищ на основ! д!електричних хвилевод!в, оск!льки, контроль широкого класу ф!зичних величин, як: температура, склад, щ!льн!сть, р!вень тощо- може бути звэденим до рефрактометричних вим!рювань.

Анал!з метод!в св!тловодаого рефрактометричного контролю параметр!в р!динних середов!щ показав, що широка розловсюдження отримали перетворювач! з внутр!шньою модуляц!ею, в яких власно св!тловод викокуе функц!ю перетворення.

Однак !снуюч! св!тловодн! первинн! перетворювач!, принцип дП кких заснований на эбереженн! повного внутр!шнього в1дбиття, у свотй б!льшост! склада! по конструкци, потребують використання елемент!в I обладнання, що дорого коштують.

Перетворювач!, що використовують е^вкт порушення повного внутр!шнього в!дбиття, дозволяють зд1йснити т!льки дискретн! вим!рювання чи контроль у стислому д!апазон! зм!ни ф!зичних величин. Створення на тх основ! пристротв багатоточкового дискретного контролю приводить до конструктивного ускладнення вим!рювач!в та тх подорожчання !з^за п!двищення к!лькост! джерел I приймач!в випром!нювання, протякност! потр!бних волоконно-оптичних л!н!й зв'язку I ускладнення обробки сигнал!в датчика.

В зв'язку з цим перспективними е перетворювач! на основ! зберекення повного внутр!шнього в!дбиття, що використовують

залешПсть свГтлопропускання TG, в!д оптичких властивоотай оточуючого сарвдовкэд, Структура t • проф!ль цоказника. заломлення ТС подан! на ряз.1* Пср1-вяяно з пвратворювачами,

во вкког"тотозу»ть îffiilt способи иодуляцм; первтворювач!

îht9hchbh0ctt на основ! ТС мвють б!льш просту коистругаЦ», легко оптачвими лШямн характаристшзд не Форми поллризаци Крш того,

стакуються з ав'язку, запевать' в!д вяпронПЕЭБаккя.

"ЯГ^а

х(г)

а Г Рис.1.

внкорястакня uîoï структур» дозволяв кврувати матролог!чккми характеристиками пэратворивача шляхом вибору довжшш хвил! випром! жевания.

Другий розд{д присвячегаШ ?есрвтичному дослШенню хвилеводнпх характаристик ТС 1 йэрвинкого перетворювача на 12 основ!.

функц!я пэретворэння св1тловодаого первшшого перетворювзча рэфрактомвтркчного типу мае вигляд:

"oui. - К 6*р( / с к • V К- Р. ) )• <1 ).

дэ Ри - потуан!сть дкерела випром!нювання; - ковфЩГвнт, цо враховув вшив л!н!й зз'язку t з'еднуЕзч!в; Xip - коеф!ц!ент пврвтворвння фзтоприймальног схзми; кв - ковфШвит, що характарнзуз оптичш властивост! матвр!ал1в серэдовшц; kr -ковфЩЮТт, що харэкториэуа геометричн! рсзшри св!тловоду; ku -коеф1ц1внт, що характеризув умови веоду випромПговання; i\ -

иокнзвдк ааломлюьання контрольного середоиища. Ковф!ц1енти К^ t К[р s в!дношення вих!д1юго сигналу до вх1дного.

При умов! однор!дност! та !зотрогаюот1 матер!ал!в 1 трансляцШюг !нвар!антност{ св!тлоьоду методом ефектиьного показника заломлюванля отриман! вирази до розрахунку стало! розповсюдкуваннн Е*м-мод прямокутного св1тлоьоду:

р* - kV - k*á. . (2)

до n'-n'-k^/k''- птиьпиП показник залсмливання окр^у.от моди, Кя4 та к с попорччн! стал! розиоьсьдкувйння у стеркиI, що розраховуютьея з р1ьиянь:

г, i k.» I-»'" к,* 1«[к,Ль-ь)] 1 J к. к, - -í„„ tsk.Mi

tgfk ill , ■ (4)

* * \ Л , * ' v i i л , i ,, / i i 'l y 7. . k .i , , Ж

к -k n -ri tk , к -к n -n )*V. , ) "k tn -ri. >-e. ,

л J * 1 .i' Vi * t /1 'м1 1 U и |

ín'-n') i;^ ■• попк'Т^чп! стил1 рс^поьоьлкувшшя y ¡uilwU ! •ччочу^чому о.доь'.аЛ (•(дп^ылно.

}'! ЫМНПМ 'J./1'ЗОЬ-.Л'О СИНХ{ч^Н13МУ Е^ -МОД MOV.m {¡ути uTpUM'jHO С! ulbiuiiL if К i (4) шлихом :>.!im!hh к ни к t i m> i

«I VJ '-i 'y1

ill HÜOf.lAIM.

C'TpuM.'fiio характеристично р!ьиянля для розрьлунку хыишьих XfJfUiKTüpUCTV.K СП{1;1МОЬа.ПЫШХ M'.Ui ТО круглого перотину. Нико]'Иот.':нкн м.'-годИ) алг-^ри лог'ки доньолило floro уаагальнитн ¡¡о иинчдг-к примокутного i ему гс-г.сто сытлоьод!ь:

'(< \ ] [ ' пХ ] - (]í,T,u/r, )' ■

- [»: К'.., • »Xv(-"VA'.))ft.. * vv(vrw}j + (5)

• / К - ( / [ v''r*c ))'

- 1.1 -

до r( t г, - корен! р!внянь а - г = 0 , b - г = G в!дяоб!дно для круглих !

[ а* - гасоз2ф ] [ й1 - 1^81п*ф ] = О ;

• - ' . (6) [ b* - г2ооа2ф ] Л* [ е* - r*sin2<p ] = О ;

прямокутншс св!тловод!в; Л^ - Л-функц!я; N=p/k - ефектиьнкй

показник заломлювання окремог ноли; а = а(кггЛ З7 )'*''' та v « а -

'»(k*n* - р2)"1, в рад!ольн! фазов! параметри no^po ¡unti ст<эрж;и

! пл!вки в!дпов!дно; w а(р* - кгп*)1'2, рад!элышй ппрадмтр

i

'згасання для змоншуваного поля у навколганьсму сор-здоЕга!;

В - (v* - uJ] / и* ; в, - (W - /] / w* ;

y„, - / КН): и» - к:н 1

«.^HH^VJ-J^VJH^vcJ; V<.(VXH -J,„(v,:]lC(v);

\< (vo)Hm (v) -л„ (v) !i;, [vo] ; V,> J„, fv,?)H,„ (v) -J,„ (v) if fve] ; 2, - (Ч. - / K)]; 2, - , W4 / (vo)} / '»(;'

J (x), Hm(x). К (x) - функШГ &>с';«ля [R-pac-iu, друмч. рду т.! модифШованп функцгл к-осовлл другого роду тдис-мль-. i-!Tp:*..i

61лл д^яких функцш госсоля опнячп-: ;г.ц«.'рд1ц!н>:|шм но аргументу.

Розряхунок аалекност! стало! розповеюдауЕиишн ыд покпг-никь заломлювшшя контролъоылюго породомт ПОКЬПЛП, „JO (Крути:1Н'.

18

12

характеристики зб!льшуеться при зб!льшенн1 нормованог товщини гШвки до значения, що визначае граначаий режим розповсюджування пл1вковох мода.' На рис.2 подана залекн!сть чутливост1 стало! згасання мод, як! спркмовуються, прямокутного (X) »в круглого (2) св!тловод|в в!д нормованог тонщшш пл!вки. Видно, що при в!дс!чц1 чу?л«а1е?ь стало! згасання максимальна.

Частный са!тлового потоку, цо локализован! в кожому сэрэдоввд! ов!тловодао! структура для сшетричних св!тловод!в прн У.-52.40о в! знз' iu.fi ься виразаш;

0.0 0.25 0.5 0.75 1.0 V

Рис.2.

Ц0

у сорцэвнн!,

у ЦЛ1ВЦ!,

2 I- аНгК*А i аш(2Ку,а) ^ 21с, 2ку4а Г

V рГь-а] ( а1п[2к Гь-а1] г ,

Р = А-и + -1 иа|, Л соа ]2к а] +

1 * и К, I 1 ;

К«)]'

, РЬ г 1 11

р = — 2:+-+- , .

Мь ТхаЬ т Ь )

(8)

2ЧЛН

(9)

(10)

у оточуючоыу серэ'довищ!, дэ А(, Аа, Аа ' - ста.м1, ь У»к(Ъ-а){г£-п*)"* - нормовзна товцина плШси.

На рис.3 подана залежн!сть коеф!ц!внту локал!зац!1 св!тлового потоку у пл!вц! в!д !г . нормованог товщини при р1зних показниках заломлювання контрольованого

серэдовища. Видно, що при величин! «

нориовано! товщини, що забезпечуз збудання мода пл!вки, 1Т потукнЮть-почкнаа зростати за рахунск пэрарозпод1лу потоку, що

докал!зовашй у стержн!.

Отриыани виразп * для визначення параметр!а пд!вки, що забезпечують наЗб^шшу чутлив!с?ь:

Р1/Р0х10"1,в!дн.од.

25

0.0 0.25 0.5 0.75 1.0 V

Рис.3.

tg V = (11)

для ТЕ-мод 1

V - г£ а'/* ^ . (12)

для ТН-мод пл!иш, да ав=(п* - - п*) - кодф1ц1ент

всиивтрн шНакового хвилвводу, що сп!впада»ть з в!домимн

с,

вдовами В1дс!ку пл!вк6вшс мод.

Використання матер!ал!в з р!знов екстинкц!вю кврувати св!тлопропусканням ТС в залежное?! в!д зелсмлюванля контрольованого середовгсда. Цей покладеиий в основу утворения пристротв контроле параметра р!дииних середовищ.

Отримано загально р!вняння перетворення багатомодового чутлнвого елемента воно мае вигляд:

дозволяо показиикя результат рефрактометрнчного

СРП. Для

и -Э- й„с ^Рйв1 ехр(-2 ат Ь). (13)

т=т4

до 31 - !нтегральна струмова чутлвд!сть фотоприймача; Нос - огЦр / ланцюга зворотн&ого зв'язку у схем! п!дсилювача вих!дного сигналу фотоприймача; в1 1 шг - диапазон- спрямовувальних мод, що розповсвджуються у св!тловод!; ап) - уявна частина стало! розповсюджування,. що розраховуеться з р!внянь (2) або (б) в!дпов!дно для круглого або прямокутного ТС; Ь - довкина св!тловодного чутливого еломонта.

У третьому розд!л! проведан! оксперимонтальн! досл!дкення макета рофрактомотричнэго поретворювача, визначек! його основн! статичн1 характеристики, подышй аныл1з иохибок прилада.

Для експорименталыглх досл!Д1:о-нь ышористовуваься чутливиЛ

скла БК-110 з наносеноы на його поьярхна шМькоп затоьшкн 0.17 мкм { тюь^зником йаломлийання 1.7. ПрОЬОДоН! ОКСИорИМоНТЬЛЬН!

доел I даяния залекьост1

св!тло1ф.')пускання матор!ал1в стормш ! плП.ки (по зразку-св!дку) ь!д довгаиш хьил! ышром!ниьання. Визначено, що максимальна р!зниця св1тлс>1П.'опуслаш1Я доелгаеться при доькинах хшШ «.О.ЬБмкм 1 б!льших П.Ьмкм, ьи.чоднчи з чого як даерело |'>Ш1{х;м)ш:Б1шнл буь вибраций 1НФрачерьоиий сытлодюд АЛ-107.

Екснъишонтальн! доел!дження

оломонт, еиготовлений !з

и, Ь ,

1

Рис.4.

рефрактометра проводились в д1апазон1 змПюння показника заломлювання в!д 1.33 до 1.42 в!дн.од. Як зразковнй зас!б виМрювання використовувався рефрактометр УРЛ. Експериментальн! (1) та теорвтичн! (2) залекност! вшйдног напруги-в1д показника заломлшашш подан! на рис.4. Анал1з тх смвпадьння показав, що в1днссиа похибка прилада не перевищуе 8%.

Розрахоьан! ochof.hî статичн! характеристики перетьорювача: nopir чутлмьост! 5* 10"* в1дн. од., розр!з1Поьальна здптШсть 1.2* 10'* Bfди.од. *

Проведений внолГз лохибок роэробленого ггриладу. Для МлькЮнот outillai похибок пнм!р^иання отримако рп-паннн порв'ГБорення у ьигляд1 :

N s руои ?ук ?У0 UC 'V- ST' ?ьх)'

Дв F , F , Pyû - ÍÜTdrpfUíí.Ht OIlôpôîop;! порчтьорипнл ПрЧОТ,'/,» П1Л0бр!)>;в)ШЯ llI JOJ МПЦ1Т , ¡rpiurrpo»! KbiiUÎ.VЬ;:111Ы Î ПрИЛТрОИ í,óp<;OK¡! 1Н-ГОрМЗЦ|Т, ЯКИЙ MlCïllTL tHT'jrpJí/ЧИП npjtCTpîft, фГЛЬТ? Til

детектор.' .

Виксристойупчи ptídianHíi (14) i. шшл!зу функшй вплииу, сйтена cyvapiiíi похи^кп нрилояп, д-.> ¡ikoí входить ск/пд'-Ы похш'жи, «jo опумовле»! нп;Пн!йм1ст» отитично! хярукто|.и\:тики, пум.чми фотонриймпча, пим t рьььльнот üT.-sm, »»чгтИльн t ctíj параметр!» джорллч ишромшк/ь.'кш.ч 1 гюказникя .vjiom.'í-á, ¡híí;? нчи ííMtHt тиску, томператури тя пшшх цьрометрт сйр^докгао, щ«» контролюсться. Бона склалл 12.С*, причсму of'Hoiíií*ír.r.i „ам.'ролами похис'ки с нбстаб1льШсть иотузшост! дчюролп штромпктоння, ом1нп чутливоси фотоприймпчп, тилнерчтурна затекн! сть пс-тэника заломлювання середовищп, ко контролшться. НаяиПсть 'пиалку у оеродопиш! згНлылус иохибку до 20-25$.

Чртвертий роздгл присвячений розробц! метод!в шдвищвння точност! контролю 1 реал!зацП на IX основ! СИ1.

Як критвр!й, при синтез! пристро»> було прайнято мШмальне значения свраднього квадратичного в!дхилення (с.к.в.) похибки прилада, а як критерий бфоктивност! запропонованих матод!в, використовувадось в1дношення с.к.в.- повдбка базового придаду до о.к.в. рюзробленого вар!анту. „

3 мелю зменшання складово! похибки, до зв'язана з впливом тиску ! температуря середовшца, що контролювться, аапропонований прилад, що використовуе дисперсШИ властивост! ТС. Випром!нювання в!д немонохромного даерела а виходу ТС за допомогою пол!хроматора розкладав'ться у спектр.' 1нтенсивн!сть випромШювання ре ветру еться на двох доыашах хвкль,' щоб на однШ з них забезпечувався режим збудження шивково! ыоди, а для другот

- вштромпновання було локал!зовано у стериЦ. Визначення

I

контрольовано! величина реал1зуеться за допоыого» обчислхшалького пристрою, ио поредбачаеться у прилад!-.

Для усуиония впливу осадк!в на иохибку СРП аьнропоновано використаннк герметичного чохла !з д!електрнчного матер1алу, що забезпечув 1нвар!антн!сть вим!р!в до ыехак!чних властивостей р!дш.

Для запропоновьних метод!в отриман! вирази оц!нки гх Офйктныюст! 1 оц!нена тх величина, яка складае в!дпов!дно 1.65 та 1.38 в!дн.од. Отриыан! вирази операторних Чутливостей' для кожного !з пристроив, що эобезпечують найменше значения с.к.в. похибки. ' .

П'ятнй розд!л присвячений проектуванн» 1 практичн!й ровлизацп рофрьктометричного прил'аду контролю температуря р!дани, що ышористоауз ТС.

Отриман! вирази, що дозволяють у.гд'зльнити розроблен! математичн! модел! на випадок з!гнутих св!тловод!в, як! отримали нин! широка розповсюдження як чутлив! блемвнтй СРП. Для обл!ку конвврс!Х мод, як! спрямовуються, з!гнутого св!тловода у моди найвищого порядку, св!тловод розбиваеться на умовно-прямол1н!йн! ланки. При рад!усах згибу, значно перевишуючих розм!ри св!тловоду, отриман! св!тловодн! влемвнти можна вважати !зотропними 1 порядок моди, що збудкуеться на наступи1й лаиц!, визначавться !з умови поперечного фазоваго резонансу 1 кута м!я в!сями сус!дн!х ланок.

При рад!усах згибу, що в вим!рними з розм!рами св!тловоду, св!тловод не в 1зотропним ! його хвилеводн! характеристики визначен! за допомогою теор!т збурення. Враховуючи, що збурення показника заломлювання п!длягав гаусовому закону, отриманий вираз для розрахунку сталог розповсюджування ан!зотропного св!тловоду.

Для створення СРП, що в!дпов!дають поставлен™ техн!чниы вимогам, розроблений алгоритм автоматизованого проектування, що • охоплюв частков! I загальний алгоритми оц!нки !нформац!йних характеристик, оптимизац!ю структури ! пераметр!в пристрою.

Умовою проектування в достатнЮть потукност! випром!нювання на вход! фотоприймача для ревстрацИ 1 визначення показника заломлювання р!дини з й*юв!рн1стю похибки, яка не перевидуб деякого значения.

На основ! запропонованого алгоритму проектування розроблений СРП для контролю температури на основ! ТС з твкими метролог1чними характеристиками: д!апазон вим!рювань —30 + +80"С,•лохибка - не б!льш за 3.5'С.

Економ!чний ефект в!д впровадження прилада склав 13 тис. 500 крб. на р!к (у ц!нах 199Д року).

0СН03Н1 РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ШСНОВКЙ.

1.На основ! результат1в анал!тичного огляду показана перспективы!сть використання ампл1тудних . {1еретворювач!в, заснованих на ГОВ випром!рювання у ТС чутливому елемент!. Розроблен! математичн! модел! розповсюдження випром!нювання у трансляц!йно-!нвар1ентному ТС, що .дозволяють розраховувати хвилеводн! характеристики багатошарових плоских, прямокутних I круглих 1зотрогиих св!тловод!в. Проведен! досл!даення хвилеводних характеристик св1тловод!в при р!зних товщинах ! показкиках заломлювання хвилеводно! пл!вки, довшнах хвил! випром!кювання та показниках заломлювання середовода. Показано, що пл!вка у цьому випадку в асимвтричним хвилеводом, у якого нав!ть для основно! моди 1снуе умова в!дс!чки.

2. Визначено, що зб!льшення асиметр!! проф!лю показника залокшсвзккя шивкового хвилевода спричиняе звукення облает! одномодового режиму 1 ' змэншення коеф!ц!внту локал!зац!г випром!нювання у пл!вц1. Показано, що при в!дс!чц! основно! моди пл!вкм цей коеф!ц!ент прямуе до нуля. Отриман! вирази, що визначають граничний режим розповсюдження випром!нювання у пл!вц! хьилеводу та найб!льшу рефрактометричну чутлив!сть.

3. Загтропоноьано СРП, принцип дП якого побудований на використакн! повного внутршнього в!дбитти випром!нювання у ТС, розроблена I досл!дкенэ його математична модель.

, Експериментальн! досл!дження п1дтБ§.рдили в!рн!сть розроблених теоретичних моделей як для ТС, так ! для пербтворювач!в на гх основ!. Найб!льше розходження експериментал.ьних 1 теоретичних даних становило 8%.

- И! -

4. Теоретично ! експериментально встановлена- сукугш'сть фактор!в, що вплиьаить на достов!рн!сть контролю. На щй основ! запропонован! метода знищеиня похибки в1д внливу зм!ни параметр!в диерела та приймача ьипромПнлзання, .р!дини, залишк!в р!дини на поверхн! св!тловоду, що застосован! на диспершйних властивостях ТС. '

5. Отриман! вирази, як! дозьоляють розрахувати хвилеводн! характеристики з!гнутих св!тловод!в, що заенован! на використанн! розроблених матемэтичцих' моделей. Розроолвний алгоритм проектування СРП, що дозьоляе за диапазоном ьим!рюьань, с.к.в. похибки та !нтерьалом робочих температур розрахуват'ц параметри ТС, джерела ! нрнймача випром!нмвання та тх взавмне розташування.

6. Розроблено, реал!зовано 1 екснериментально досл!джено нристр!й контролю температуря иокоженебезпечних р!динних середовищ.

Основн! положения дисертацП ь!дображьн! у таких роботах:

1. A.c. I69S884 СССР, МКИ G 01 F 23/22. Устройство для определения уровня жидкости/ Бабченко A.M., Лонгалоц С.М., Адаменко C.B. (СССР).-4с.

2. Положительное решение по .. заявке IJ490O3653IO от 28.06.91г. ССОР, МКИ G 01 F 23/22, Сьетоводшй датчик уровня/ Байда Н.П., Довгалец С.М., Адаменко C.B., Герасимов В.Ф. (СССР).

3. Бабчонко A.M., Довгалец С.М., Бабченко И.б. Световодний датчик уровня жидкости// Микроэлоктронные датчики: Тезисы докл. Всес. семинара.- Ульяновск, 1938.- с.121.

4. Разработка макета оптоэлектрсяшсго устройства контроля

уровня жидкости: Отчет о НИР (заключительный)/ Винницкий политехнический институт.- N.rP. 0I88005I832; Mhb.N 02880055867,- M.,1988.-48с. •

Б. Адаменко C.B., Бабченко A.M., Довгалец С.М. Высокостабильный источник ИК-диапазона для амплитудных световодных преобразователей'/ Применение оптико-электронных приборов и волоконной оптики в народном хозяйстве Материалы семинара.- Москва: МДНТП, 1989,- с.118-121.

6. Довгалец С.М., Рева Р.В.,- Бабченко .A.M. Использование световодов в датчиках механических величин// Электронные датчики: Тез. докл. Всес. семин,- Ужгород, 1989. - с.162.

7. Бабченко A.M., Довгалец С.М., Дубовой. В.М. Устройство для измерения параметров . оптического излучения// Оптико-электронные измерительные устройства и системы: Тез. докл. Всес. конф. - Томск, 1989, ч.2.- с.104-105.

8. Разработка методики проектирования оптоэлектронного устройства, контроля уровня жидкости: Отчет о НИР (заключительный)/ Винницкий политехнический институт.- Л.ГР. 01890024298; mhb.N 02890029828.- M.,1989.-63с.

9. Автоматизация процесса контроля состава газообразных и жидких сред: Отчет о . НИР (заключительный)/ Винницкий политехнический институт.- N.TP. 01890044802; Инв.И 02900039490,- M.,1989'.-87с.

10. Довгалец С.М. Обобщенная•математическая модель для САПР световодных датчиков//САПР в машиностроении: Тез. докл. Всес. семин.-Ульяновск,. 1990.-с.39.

11. Бабченко A.M., Довгалец- С.М., Гигинеишвили В.К. Свотиводные преобразователи в измерительных системах//

Быстродействующие элемента и. устройства волоконно-оптических- и лазерных информационных систем: Тез. докл.. Всес.. конф. -Севастополь, 1990.-с.150.

Г2„ Оптический.аттенюатор/ Довгалец С.М., Лютворт С.Г., Рева Р.Б. и др. // Физические проблемы оптической связи: Т<>з. докл. 1-й Всес. конф.- Москва, 1990.- с-,59.

ГЗ. Влияние внешних воздействий на параметры трехслойных световодов/Адаменко С.В.,( Довгалец С.М., Лютворт С.Г. н др. // Физические проблемы .птической связи:* Тез. докл. 1-й Всес. конф,- Москва., 1990.- с.80.

14. Довгалец С.М., Трамсюк И.В. Трехслойные световоды как основа построения измерительных систем// Физические проблемы оптической связи: Тез.Лаокл. 2-й Всес. конф.- Москве. 1991,-с.9Г. с

15. Довгалец С.М. Преобразователи на основе . слоистых световодных структур// Оптико-электронные методы и средства' в контрольно-измерительной технике: Материалы семинара.- Москва, МДКТП, 1991.- СС.78-9Г,

16. Разработка оптоэлектронного датчика температуры: Отчет о НИР (заключительный)/ Винницкий политехнический

институт.-М.ГР. 0191006^383.- М..Т991.-32с. *

В роботах 511-4,8) розробленГ придали ре^актометричного контролю з використанням ТС, запропонован! способи п!дйищення точностт та алгоритм проектування СРП.

В роботах (5,7,12) запропоновани метода Шдвищення точности за рахунок введения опорного каналу I зниження шум!н фотоприймача, розроблена математичн» модель оптичноТ схеми та

прийнята участь в розробц! прилад!в.

В роботах [9,11,13,14,161 досл!джоНо вплив показника заломлювання зовн!шного середовшца' на св!тлонропускня ТС и запропоновано 1х використання для стьорення нрилад1в рвфрактометричного контролю.

Автор виражав подяку к.т.н., доценту Поджаронко В.О. та - к.т.н., професору Васюр! А.О. за консультацП при проведенн! теорет!чних та експер1ментальних досл!джень за темой дисертацИной роботи. •

Подписано в лечась 17.05.93 г.

Печа1Ь офсетная.

Бумага типргра|.ская

Тира« 100 экз., Заказ 15

СКТБ "Цодуль" ВПИ, Хиельницкое шоссе, 97