автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Лазерные устройства контроля уровня жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов

На правах рукописи

Блинов Дмитрий Игоревич

ЛАЗЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ЕМКОСТЯХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 4 н;он

т

Самара-2015

005570194

005570194

Работа выполнена на кафедре электротехники федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Скворцов Борис Владимирович.

Официальные оппоненты:

Мелентьев Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»;

Лиманова Наталья Игоревна, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры программного обеспечения и управления в технических системах федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Ведущая организация:

акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Экран», г. Самара.

Защита диссертации состоится 18.09.2015 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.05 при федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ и на сайте http://diss.ssau.ru.

Автореферат разослан 15.06.2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

Востокин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Оперативный и достоверный контроль количества жидких нефтепродуктов в топливных баках и транспортных резервуарах подвижных объектов является важнейшей задачей, связанной не только с проблемами энергосбережения, но и с эффективной эксплуатацией транспортных средств. Общеизвестна низкая точность устройств контроля уровня топлива в баках, погрешность которых составляет не менее ±5 %. «Перезаправка» воздушного судна приводит к прямым убыткам, так как повышает взлётный вес, увеличивает себестоимость перелёта или пуска ракеты [1]. Необходимость перевозки заведомо завышенных объёмов нефтепродуктов приводит к убыткам транспортных предприятий и создаёт условия для хищений. Одно из важнейших требований, предъявляемых к системам контроля уровня - обеспечение оперативности и высокой точности контроля [2].

Существующие устройства контроля уровня жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов в основном поплавковые или емкостные и не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по точности, быстродействию и надёжности, т.к. реализуют контактные методы измерения, что также требует повышенного внимания к обеспечению пожаровзрывобезопасности. Прочие многочисленные устройства контроля уровня жидкостей также не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по какому-либо из эксплуатационных параметров - габаритам, весу, надёжности и т.д.

Степень разработанности темы

Использование лазеров в сочетании с электронными устройствами обработки сигналов является перспективным направлением в разработке приборов для измерения и контроля уровня жидкостей. Существующие лазерные дальномеры обеспечивает абсолютную погрешность измерения порядка ±1 мм. Важным преимуществом лазерной дальнометрии является отсутствие прямого контакта устройства с контролируемой средой, что позволяет измерять уровень агрессивных сред, в том числе во взрывоопасных зонах. Однако возникают сложности, связанные с малым коэффициентом отражения оптического излучения от границы раздела сред, близких по коэффициенту преломления.

Цель и задачи работы

Диссертация посвящена разработке лазерных устройств контроля уровня жидкостей, обладающих высокой точностью и основанных на использовании лазерных дальномеров в сочетании с современными методами обработки измерительной информации [3]. Работа основывается на трудах отечественных учёных Гинзбурга В.Л., Ванштейна Л.А., Викторова В.А., Глебовича Г.В., Балакина C.B., Мукаева Р.Ю., Гордеева Б.Н., Ясовеева В.Х., Скворцова Б.В., Борминского С.А., а также швейцарских учёных Хармута Эбетса, Хайнца Бернарда, Курта Гигера, Ёрга Хиндерлинга и включает в себя разработку и исследование созданных автором оригинальных конструкций оптоэлектронных лазерных уровнемеров для подвижных объектов. В работе уделено внимание теоретическому исследованию распространения оптических сигналов в жидкостях, и их отражению от границы раздела сред. Рассмотрены способы конкретной реализации лазерных уровнемеров подвижных объектов и их метрологические характеристики.

Целью работы является повышение точности устройств контроля количества жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих

задач:

1 Анализ существующих методов и устройств контроля количества жидких нефтепродуктов в топливных баках и транспортных резервуарах подвижных объектов, а также выявление основных направлений и концепций их развития.

2 Разработка математической модели процедуры измерения уровня жидкости, связанной со сканированием поверхности раздела сред лазерным лучом и съёмкой поверхности теле(фото)камерой.

3 Разработка функций преобразования устройств контроля уровня жидкостей, основанных на различных методах преобразования сигнала.

4 Разработка структурных и функциональных схем, имитационных моделей и конструкций устройств контроля уровня жидкостей, разработка алгоритмов обработки сигналов.

5 Метрологический анализ и исследование влияния климатических и технологических факторов на характеристики разработанных устройств.

6 Изготовление и экспериментальные исследования созданных образцов уровнемеров.

Научная новизна

1 Разработана математическая модель лазерно-акустического уровнемера, описывающая измерительную процедуру при возбуждении границы раздела сред акустическим сигналом, повышающим коэффициент отражения оптически прозрачных жидкостей.

2 Разработана функция преобразования время-импульсного лазерного уровнемера, основанного на способе измерения временного интервала между апериодическими импульсам сложной формы, заключающемся в определении времени между координатами центров масс излучаемого и отражённого импульсов.

3 Разработана функция преобразования лазерно-телевизионного уровнемера, основанного на теле(фото)съёмке произвольно расположенных на фиксированных расстояниях оптических меток, создаваемых на контролируемой поверхности несколькими лазерными лучами.

4 Получены аналитические выражения, определяющие погрешность лазерных устройств контроля уровня жидкостей и метрологические требования к их элементной базе.

Теоретическую и практическую значимость работы составляют

1 Алгоритмы и программы обработки сигналов датчиков и реализации измерительных процедур в разработанных устройствах.

2 Структурные и функциональные схемы, технические описания созданных образцов уровнемеров.

3 Образцы лазерно-акустического и лазерно-телевизионного уровнемеров.

4 Динамические имитационные модели разработанных устройств в программной среде Lab VIEW.

По результатам работы изготовлено лазерно-телевизионное устройство контроля уровня и внедрено в ООО «Аналитические приборы и системы». Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс СГАУ и используются в курсовом и дипломном проектировании.

Методология и методы исследования

При решении поставленных задач использовались теория анализа и синтеза информационно-измерительных устройств, теория погрешностей, методы дифференциального, интегрального исчислений, аналитической геометрии. При моделировании и проведении численных расчётов использовались программные продукты МАТНСАБ и ЬаЬУ1Е\У.

Положения, выносимые на защиту

1 Математическая модель лазерно-акустического уровнемера, описывающая измерительную процедуру при возбуждении границы раздела сред акустическим сигналом, повышающим коэффициент отражения оптически прозрачных жидкостей.

2 Функция преобразования время-импульсного лазерного уровнемера, основанного на способе измерения временного интервала между апериодическими импульсам сложной формы, заключающемся в определении времени между координатами центров масс излучаемого и отражённого импульсов.

3 Функция преобразования лазерно-телевизионного уровнемера, основанного на теле(фото)съёмке произвольно расположенных на фиксированных расстояниях оптических меток, создаваемых на контролируемой поверхности несколькими лазерными лучами.

4 Аналитические выражения, определяющие погрешности лазерных устройств контроля уровня жидкостей и метрологические требования к их элементной базе.

5 Практическая реализация разработанных устройств и результаты их экспериментальных исследований.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы, которые не противоречат известным положениям в данном направлении исследований.

Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 гг.» (соглашение от 17 сентября 2010 г. №14.740.11.0310).

Результаты работы доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара) в 2011 г., Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники (1П Козловские чтения)» (г. Самара) в 2013 г.

По результатам исследований и разработок опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 2 патента на изобретение и 3 патента на полезные модели.

Все результаты, определяющие научную новизну работы, получены автором лично. Техническая реализация и экспериментальные исследования проведены совместно с сотрудниками НИЛ «Аналитические приборы и системы» СГАУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация изложена на 165 страницах, включает в себя 79 рисунков, 11 таблиц, приложение. Список литературы содержит 82 источника. Основное содержание работы состоит из введения, пяти глав и заключения.

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, дана краткая характеристика диссертационной работы.

В первой главе дан обзор основных видов емкостей подвижных объектов, применяемых для хранения топлива и транспортирования жидких энергоносителей, приведены параметры их количественного контроля, а также электромагнитные и, в частности, оптические характеристики жидкостей. Представлен обзор методов и устройств измерения уровня жидкостей как основного параметра количественного контроля в емкостях подвижных объектов. Определены основные направления развития оптоэлектронных методов контроля количества нефтепродуктов в подвижных объектах, реализованных в данной работе в виде запатентованных конструкций [4-8], на основе которых проводятся дальнейшие исследования.

На рисунке 1 приведена структурная схема устройства, защищенная патентом [4], которая может быть применима в конструкции время-импульсного лазерного дальномера. При использовании такого дальномера важное значение имеет точность определения временного интервала между излучаемым и принимаемым импульсом, отражённым от поверхности. При отражении форма импульса искажается. С целью учёта данного фактора согласно изобретению фиксируемые

моменты времени определяются как координаты центров масс данных импульсов по оси времени.

На рисунке 2 приведена структурная схема лазерно-акустического уровнемера, защищённая патентом [7], в котором уровень определяется лазерным дальномером, путем определения расстояния до контролируемой поверхности, возбуждённой акустическим сигналом с целью повышения коэффициента отражения.

На рисунке 3 приведена структурная схема лазерно-телевизионного уровнемера, защищённая патентом [8]. Здесь уровень жидкости определяется по расстоянию между метками на изображении, получаемом в результате теле(фото)съёмки контролируемой поверхности.

Определены проблемы, связанные с теоретическим анализом элементов заявленных устройств.

Рисунок 1 - Структурная схема устройства измерения временных интервалов между импульсами сложной формы

1 - устройство приёмно-усилительное,

2 - аналого-цифровой преобразователь,

3 - блок счёта времени, 4, 5 - блоки формирования массивов, 6 - логический элемент «И», 7 - вычислительное устройство

Рисунок 2 — Структурная схема лазерно-акустического уровнемера 1 — блок управления, 2 — генератор, 3 — блок обработки, 4 - излучатель акустического сигнала, 5 — лазерный дальномер, 6 — акустический волновод, 7 — резервуар, 8 — контролируемая жидкость

Рисунок 3 — Структурная схема лазерно-телевизионного уровнемера 1 - телекамера, 2 — блок обработки,

3-6 — лазерные излучатели, 7 — блок управления, 8 — монитор

Во второй главе рассмотрены теоретические основы оптоэлектронных устройств измерения уровня, в частности разработаны математические модели лазерно-акустического и лазерно-телевизионного уровнемеров. В общем случае сущность измерительной процедуры иллюстрируется рисунком 4 и состоит в том, что контролируемая поверхность облучается лазерным сигналом, отражённая часть которого регистрируется теле(фото)камерой.

Излучатель формирует оптический сигнал Фо с пространственным углом 2а, падающий на контролируемую поверхность под углом в\. Отражённый от поверхности оптический сигнал Ф2, попадающий в фотоприёмник несёт в себе информацию об уровне жидкости в соответствии с формулой

Ф2 = , (1)

где

2а(гф+ги-2 н)

В(Н) = СФ0е

<р(Н) = —4о)

г,р+гц-2 н

(2)

это яркость [Вт/м ] и фаза [рад] отраженного сигнала соответственно, Б - коэффициент отражения от поверхности, со - частота излучения [1/с], а — коэффициент поглощения [1/м], ¥<&\ — фазовая скорость в среде распространения [м/с].

Время пролёта импульса от излучателя до фотоприёмника также зависит от уровня и определяется по формуле

= гФ+ги-гн т

Распределение яркости на фотоприемнике В (и, и) зависит от контролируемого уровня и в общем случае определяется некоторой функцией

В(и,*)=*ф(Я). (4)

При этом координаты (и,у) центра отраженного луча на фотоматрице зависят от уровня Нх по формулам

иц = МЮ. 1>ц = /„№) • (5)

Контролируемый уровень связан с конструкционными параметрами и параметрами измерительной процедуры обобщённой функцией

Н = В, <р, В (и, и), в!, ц, а, е, 2и, Нтах]. (6)

Приведённые соотношения позволяют получить исходные данные для проведения измерительной процедуры, включающей в себя следующие стадии: облучение контролируемой поверхности лазерным лучом (лучами), приём и обработка отраженных от поверхности оптических сигналов по специальным алгоритмам, калибровка, заключающаяся в определении соответствия между реальными значениями

уровня и принятыми сигналами. Проведён анализ коэффициента отражения б оптического сигнала от границы раздела сред и методов его повышения. Обеспечение его достаточного значения является важной задачей, так как

Рисунок 4 — Иллюстрация к математическому моделированию процедуры измерения уровня жидкости методом оптического сканирования

1 — ёмкость, 2 - граница раздела/контролируемый уровень, 3 — излучатель, 4 — приёмник, п, — коэффициент преломления, магнитная, диэлектрическая проницаемости и проводимость соответствующей среды, 0\ — угол падения, в2 - угол преломления, ф — световой поток в соответствующей среде, Я- измеряемый уровень, Н^ - максимальный уровень, 2и, 2© - конструкционные параметры

высококачественные топлива (бензины, керосины, спирты), также как и вода, являются оптически прозрачными средами. Установлено, что коэффициент отражения контактирующих сред зависит от разности их коэффициентов преломления и растёт с увеличением угла падения. Определено, что граница раздела прозрачных нефтепродуктов с газовой средой при углах падения до 10° составляет (7 = 0,015-0,025, что затрудняет прямое использование лазерных дальномеров для измерения уровня. Предложен метод повышения коэффициента отражения, основанный на возбуждении колебаний на поверхности контролируемой среды с помощью акустического сигнала, как это предложено в конструкции, показанной на рисунке 2. Среднее значение коэффициента отражения акустически возбуждённой поверхности определяется по формуле

Со (7)

где G(x) =

4[n| cos2 öiOO+Ti? sin2 6i(*) cos 2ö1(3r)]-sin2[ö1(x)-arcsin(^isin ÖjM)]

(8)

n|[sin 2e1(*)+sin(2arcsin(2lsin 6t (*))]

0i (x) = arctgi/m cosx, x — координата поверхности, Um - амплитуда колебаний.

График изменения среднего значения коэффициента отражения показан на рисунке 5. Амплитуда и длина волны в реальном физическом процессе отсчи-тываются в единицах длины. На рисунке и в формуле (8) под х и Um понимаются доли длины волны в радианах, которые могут быть переведены в единицы длины по известным формулам. Реально акустический сигнал может создать на поверхности колебания с амплитудой, доходящей до половины длины волны. Возбуждением колебаний поверхности можно добиться коэффициента отражения,

GOICM,,!,)

Рисунок 5 - График изменения среднего значение коэффициента отражения в зависимости от амплитуды колебания поверхности связанные с тем, что формы импульсов различаются, и нельзя однозначно указать соответствующие этим импульсам точки, по которым следует проводить отсчёт времени. Предлагается вести отсчёт временного интервала между импульсами сложной формы, как между моментами времени, соответствующими координатам «центров масс» этих импульсов [8].

достаточного для обеспечения работоспособности лазерно-акустического уровнемера.

На основе (3) получена функция преобразования лазерного время-импульсного устройства контроля уровня жидкости, которая позволяет определять уровень по времени распространения импульса от излучателя к фотоприёмнику по формуле

Н = 2Ф + ZH - О.БтУф! cos 0!. (9) Измерения интервалов времени между зондирующим и отражённым импульсами в лазерных уровнемерах имеют затруднения,

u(t)

Рисунок 6 — Иллюстрация к способу измерения интервалов времени между импульсами сложной формы - измеряемый временной интервал, и\(Г), иг(0 -

фронты зондирующего и отражённого импульсов

На рисунке 6 изображена временная развёртка двух импульсов сложной формы, где г = ¡2- ¿ь и г2 - координаты «центров масс» фронтов импульсов «1(0 и н2(0 соответственно, если рассматривать их как плоские фигуры в системе координатах «амплитуда сигнала - время», определяемые по формулам:

/> и

¡Ип(1)с1! '\Н12(Пс]1 (,= I-, /:= з-• (Ю)

\u,(t)dt

\l,:(t)dt

Разработанный способ позволяет вычислять интервал времени между импульсами, даже в том случае, когда передний фронт отражённого импульса накладывается на задний фронт зондирующего сигнала. Повышается точность измерения временного интервала между импульсами сложной формы, что важно, при создании приборов и устройств коммерческого учёта уровня и расхода жидких энергоносителей.

Разработана функция преобразования лазерно-телевизионного метода контроля уровня жидкости схема которого показана на рисунке 3. Сущность измерительной процедуры состоит в том, что на поверхности контролируемой жидкости с помощью лазерных лучей создаются метки А1,А1,... , Д,... ,А„. Рассмотрены алгоритмы контроля по смещению одной, двух, трёх и в общем случае - N меток, расстояние между которыми известно. Найденная функция преобразования позволяет находить искомый уровень по формулам

Hl=Zm-f- 1 +

Li,i+

¡+l_1iJ J L i.i+1 "

где Ц,+1 - расстояние между метками в пространстве, ц,, >/,• - координаты метки на изображении.

Разработана методика определения уровня при наклонах контролируемой поверхности, который определяется по расположенным на ней трём меткам А, В, С, координаты ХА, Хв, Хс, Ул, Ув, Ус которых известны. Искомый уровень при этом определяется по формуле

(12)

H = zm

Xa YA

где Д = Хв YB

Хс Yc

_f_

Q »

1 + XA

PA

1 + £B

ДВ

1 + Xc

У-С

Хл

Хв

Ya YB

Выражение (12) определяет уровень колеблющейся относительно горизонта поверхности по координатам оптических меток, полученным на фотоматрице, и в совокупности составляет функцию преобразования прибора.

Применение разработанной методики позволяет не только устраниться от влияния на результат колебаний уровня, но и уменьшить погрешности некоторых видов оптических искажений.

В третьей главе рассмотрены элементная база, схемотехника и алгоритмы обработки информации в оптоэлектронных дистанционных устройствах измерения уровня. Разработаны обобщённые структурные и функциональные схемы рассматриваемых устройств, содержащие лазерный дальномер, излучатели, ЭВМ, контроллер управления, выполненный на микросхеме Atmel ATmega8535. Проведен обзор технических характеристик элементной базы - лазерных дальномеров, телекамер, фотоприёмников, лазерных источников.

По результатам обзора для реализации разработанных устройств выбран лазерный дальномер Leica DISTO D3a ВТ, имеющий погрешность измерения ±1,0 мм, диапазон рабочих температур от -10 до +50 "С, передачу данных по радиоканалу. Использована телекамера марки Logitech HD Webcam С270.

Разработана имитационная модель лазерного время-импульсного уровнемера в программе Lab VIEW, которая позволяет исследовать процессы измерения временных интервалов по алгоритмам, изложенным в разделе 2.3, изменяя амплитуду и форму зондирующего импульса, коэффициент отражения контролируемой поверхности. Результаты исследований с погрешностью ±5 % совпали с расчётами, описанными во второй главе диссертации. Приведены разнообразные структурные схемы фазовых измерений уровня, лазерно-акустического уровнемера и их имитационные модели в программе Lab VIEW [9].

В четвертой главе рассмотрены виды погрешностей и сформулированы задачи метрологических исследований, заключающиеся в обеспечении требуемой точности измерения уровня и определении требований к комплектующим элементам устройства по точности и быстродействию.

Показано, что абсолютная методическая погрешность оптических методов измерения состоит в том, что в аналитических выражениях используется фазовая, а не групповая скорость распространения импульса. Относительная методическая погрешность измерения расстояния от излучателя до фотоприёмника

определится по формуле

Ум =

n2(Cd)-ü>n(ü>)n'(<j>2

(13)

Например, для длины волны 0,6 мкм (со = 5-10"' Гц) составляет ум = 8,4-10"5 = = 0,0084%. Выражение (13) определяет методическую погрешность измерения

уровня при условии абсолютно точного измерения временного интервала т и сдвига фаз А<р.

Для лазерно-телевизионного уровнемера главными составляющими инструментальной погрешности являются погрешности определения координат меток Л, на изображении, т.е. значений , >7, точки А(ц1, //,) на фотоматрице. Здесь источниками погрешностей являются искажения оптической системы, дискретизация фотоприёмной матрицы и конечный размер лазерного пятна. Абсолютная погрешность измерения уровня, вызванная погрешностями определения координат меток на фотоматрице, определится по формулам:

- при контроле по одной метке 8 = / • Х1 — , (14)

- при контроле по двум меткам с известным расстоянием между ними

- при контроле по трём точкам и наклонённой относительно оптической оси поверхности:

хА _

к

(16)

д = /.(1—= ДР=

' \з <2Р' ^ ДР

1 +

Хв Ув 1 +

Хс Ус 1 +

Яд+Д к Хв

Хс

Ис+Ь к

где Дк - погрешность телекамеры, складывающаяся из погрешности оптики и погрешности размеров лазерной метки.

При /=10 мм, Дк = 0,0212 мм, ХА = 20мм, Хв = 20 мм, Хс=-20мм, Х0 = -20 мм, УА = 20 мм, Ув = -20 мм, Ус=-20 мм, Уд = 20, 2А = 2В = 2С = = 2а = 200 мм, получены следующие значения погрешностей: по одной метке 5 = 3,905 мм; по двум меткам 5 = 2,807 мм, по трём меткам <5 = 0,077 мм.

Среди телевизионных наименьшую погрешность имеет метод измерения по трём лазерным меткам, реализующий функцию преобразования, соответствующую формулам (12). Наибольший вес имеют погрешности от фазометра для фазовых и от конечного размера лазерного пятна для телевизионных методов измерения уровня. При использовании лазерно-телевизионного метода необходимо уменьшать расстояние до объекта и использовать полный экран на изображении, увеличивать расстояние между метками, уменьшать фокусное расстояние. Однако, если измерения происходят по четырём точкам, размещённым симметрично относительно оптической оси, то погрешности от всех видов монохроматических искажений взаимно компенсируются или учитываются при калибровке. Полученные значения погрешностей являются предельно завышенными, так как определены для самых неблагоприятных случаев, когда все виды погрешностей имеют один знак.

Рассмотрены дополнительные погрешности оптоэлектронных устройств измерения уровня подвижных объектов. Для лазерных время-импульсных и фазовых устройств важнейшими из дополнительных являются погрешности, вызванные изменением температуры, влажности и давления окружающей среды, так как эти факторы влияют на скорость распространения электромагнитных импульсов. Дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры и влажности, для время-импульсного метода определится по формуле

№ (Г. Р) = (2„ + 2Ф - 2Я)(^(17)

где пп(ш) - коэффициент преломления при температуре 15 °С и давлении 760 мм рт. ст., п(Т, Р) - текущий коэффициент преломления.

Влияние температуры в ожидаемых условиях эксплуатации, в диапазоне от -50 до +50 °С даёт погрешность ±1 мм. Корректирование температурной погрешности осуществляется путём использования сигнала датчика температуры в алгоритмах вычислений.

В пятой главе описаны экспериментальные исследования, задачами которых являлись подтверждение основных теоретических положений, оценка метрологических и эксплуатационных характеристик разработанных устройств. Для проведения испытаний в соответствии с разработанной программой изготовлены лабораторные образцы лазерно-акустического (рисунок 8) и лазерно-телевизионного (рисунок 9) уровнемеров.

Исследовались возможности прямого использования лазерного дальномера при контроле уровня различных жидкостей. Испытания показали, что без специальных приёмов метод работает только для тяжелых нефтепродуктов, начиная от дизельных топлив и тяже-Рисунок 8 - Внешний вид лазерно- лее, т.е. для жидкостей, коэффициент отраже-акустического уровнемера ния б которых составляет не менее 0,04 (мазу-

ты, котельные топлива, нефть).

Проведены испытания лабораторного образца лазерно-акустического уровнемера. Колебания контролируемой поверхности созда-2 вались пьезоэлектрическим датчиком ЦТС-19. Показано, что вибрации повышают коэффициент отражения прозрачных жидкостей до 0,2 и возрастают с увеличением амплитуды колебаний, в соответствии с теоретическим описанием. На частоте вибраций 103Гц проводились Рисунок 9 - Внешний вид лазерно- измерения уровня воды, погрешность которого телевизионного уровнемера не превышала 1,0 мм. Проведены испытания 1-фланецёмкости,2-камера, лабораторного образца лазерно-телевизионного 3 - источники лазерного излучения уровнемера, структурная схема которого показана на рисунке 3, а внешний вид — на рисунке 9.

Исследовались и фиксировались различные виды отражений лазерных меток от поверхности жидкости прозрачных и непрозрачных жидкостей. На рисунке 10 показан снимок контролируемой поверхности прозрачной жидкости (воды). Шлейфы во внешние стороны от ярких точек соответствуют следам лазерных лучей, оставляемых в среде при прохождении от поверхности до дна. Эксперимент показал, что явного пятна луч лазера на поверхности прозрачной жидкости не оставляет. Яркое пятно образуется при отражении от дна. Уровень жидкости можно определять по следу лазерного луча, остающемуся при прохождении через жидкость. На рисунке 11 приведена зависимость расстояний Ь\ и Ь2 , ЬЛс и Ьви между лазерными метками от уровня жидкости при контроле по

точкам отражения на дне бака и по точкам входа лучей в жидкость соответственно.

Контроль уровня по расстояниям между точками входа лучей в жидкость дает более высокую точность и чувствительность, чем контроль по изображению точек отражения от дна резервуара. Максимальная чувствительность составляет 5= 5,1 пикс/мм и достигается при контроле уровня по суммарному расстоянию между точкам входа лучей в жидкость. Результаты эксперимента показали возможность использования для измерения уровня изображения меток, полученных от дна резервуара, что важно при контроле прозрачных жидкостей. Исследовалось влияние наклона жидкости относительно оптической оси телекамеры. Угол наклона поверхности контролировался встроенным датчиком угла лазерного дальномера Leica DISTO А8 с погрешностью 0,15°. Суммарное значение расстояний между метками LAC + LBD в зависимости от угла изменялось незначительно, что подтвердило корректность функции преобразования, определяемой выражениями (12).

Рисунок 11 - Зависимость расстояния между лазерными метками от уровня жидкости при контроле по точкам отражения на дне бака и по точкам входа лучей в жидкость

Таблица 1 - Технические характеристики лабораторного образца лазерно-телевизионного уровнемера

Наименование Значение

Диапазон измерения уровня, мм 0-180

Относительная приведенная погрешность измерения уровня, % 0,2

Порог чувствительности, мм 0,36

Диапазон рабочих температур окружающей среды, °С от -40 до +50

Напряжение питания, В 12

Средняя потребляемая мощность, Вт 2,4

Погрешность при наклоне уровня в диапазоне углов ±10°, % <0,05

Рисунок 10 - Изображение поверхности жидкости при её освещении четырьмя параллельными лазерными лучами 1 — точки отражения от дна, 2 - шлейфы лазерных лучей при прохождении жидкости, А, В, С, О- точки входа лучей в контролируемую поверхность

Технические характеристики, приведённые в таблице 1 подтверждают эффективность предложенного метода измерения. Лабораторный образец лазерно-телевизионного устройства внедрён в ООО «Аналитические приборы и системы», где используется как базовая конструкция для создания опытного образца устройства для измерения уровня топлива в емкостях подвижных объектов. Результаты работы используются также в учебном процессе СГАУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Создана обобщённая математическая модель процедуры контроля уровня жидких сред методом оптического сканирования поверхности, включающая выражения для амплитуды, фазы, времени распространения отраженного от поверхности сигнала, а также описывающая основные этапы формирования измерительной информации, включающие съёмку поверхности, калибровку прибора и обработку изображения.

2 Проведён анализ отражения оптического сигнала от границы раздела сред. Предложены и проанализированы методы обеспечения условий отражения на основе создания жидких пленок, выбора частоты оптического излучения, возбуждения акустических колебаний на контролируемой поверхности и изменения угла падения. Получены аналитические выражения, определяющие коэффициент отражения контролируемой поверхности, который может составлять значения 0,02-0,2 для различных сред, частот и углов падения.

3 Разработана функция преобразования лазерного время-импульсного устройства контроля уровня жидкости, основанного на измерении времени прохождения отраженного от контролируемой поверхности оптического импульса с учётом искажения его формы при отражении и прохождении среды.

4 Разработана функция преобразования лазерно-телевизионного устройства контроля уровня жидкости, основанного на теле(фото)съёмке меток, создаваемых на контролируемой поверхности одним или группой лазерных лучей с последующей обработкой изображения. Создана методика для вычислений уровня независимо от наклона поверхности относительно горизонта.

5 В результате исследования основных погрешностей получены аналитические зависимости для их оценки. Погрешность измерения временного интервала при допустимой погрешности измерения уровня <5Н0 = 1 мм не должна превышать дт0 = 0,76-10"11 с. Для лазерно-телевизионного метода контроля уровня получены формулы для определения погрешностей при контроле по одной двум, трём и четырём меткам. Определены требования к телекамере по разрешению оптики и дискретности фотоматрицы, при которых погрешность не превысит допустимых значений. Исследованы дополнительные погрешности, связанные с изменением температуры и давления воздуха. Показано, что в ожидаемых условиях эксплуатации температурная погрешность в диапазоне от -50 до +50 °С составляет ±1 мм.

6 Экспериментальные исследования показали эффективность предлагаемых методов измерения уровня жидкостей, находящихся в емкостях подвижных объектов и корректность математических моделей и функций

преобразования разработанных уровнемеров. Показано, что прямое использование лазерного дальномера для измерения уровня возможно только для жидкостей, коэффициент отражения G которых составляет не менее 0,04. Погрешность измерения уровня на темных жидкостях с помощью лазерного дальномера составила ±1,0 мм на горизонтальном уровне и ±2,5 мм при углах наклона контролируемой поверхности относительно оптической оси ±10°. Для лазерно-акустического метода контроля показано, что вибрации повышают коэффициент отражения прозрачных жидкостей от 0,03 до 0,2 и возрастают с увеличением амплитуды колебаний.

7 Испытания лабораторного образца лазерно-телевизионного уровнемера показали, что уровень жидкости можно определять по шлейфу лазерного луча, возникающему при прохождении через жидкость от поверхности до дна, при этом длина шлейфа и расстояние между точками входа лазерного луча увеличиваются с ростом уровня жидкости. Погрешность измерения составила 0,2 %, порог чувствительности 0,36 мм, погрешность при наклонах контролируемой поверхности в диапазоне углов ±10° не превысила 0,05 %. Разработанный макетный образец лазерно-телевизионного устройства внедрён в ООО «Аналитические приборы и системы», где используется как базовая конструкция для создания опытного образца топливного уровнемера в емкостях подвижных объектов в рамках сотрудничества с Зареченским приборостроительным кластером, в городе Пенза. Результаты работы внедрены также в учебном процессе СГАУ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

в изданиях, рекомендованных ВАК:

1 Блинов, Д.И. Анализ систем измерения уровня заправки ракет-носителей / Д.И. Блинов, С.А. Борминский // Авиакосмическое приборостроение. - 2013. - №9. - С. 3-8.

2 Солнцева A.B. Способ измерения массы наливных грузов в резервуарных парках при решении задач транспортировки и распределения энергоносителей / A.B. Солнцева, С.А. Борминский, Д.И. Блинов, Е.А. Силов // Нефтегазовое дело. - 2013. - №5. - С. 314-324.

3 Скворцов Б.В. Математическая модель и функция преобразования лазерно-телевизионного метода контроля уровня жидкости / Б.В. Скворцов, С.А. Борминский, Д.И. Блинов, Д.М. Живоносновская // Известия Самарского научного центра РАН. - 2014. - №6. - С. 79-84.

в патентах:

4 Патент на изобретение RU №2461856, МПК G 04 F 10/04 Способ измерения временного интервала между двумя апериодическими импульсами сложной формы / Б.В. Скворцов, Д.И. Блинов; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. - №2011116023/28; заявл. 22.04.2011; опубл. 20.09.2012.

5 Патент на изобретение RU №2497085, МПК G 01 F 1/76 Способ

измерения массы жидкости в резервуаре / Б.В. Скворцов, С.А. Борминский, A.B. Солнцева, Д.И. Блинов; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. - №2011147442/28; заявл. 22.11.2011; опубл. 27.10.2013.

6 Патент на полезную модель RU №115886, МПК G 01 F 1/86 Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах / Б.В. Скворцов, Д.И. Блинов, A.B. Солнцева, С.А. Борминский; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. -№2011151843/28; заявл. 19.12.2011; опубл. 10.05.2012.

7 Патент на полезную модель RU №135121, МПК G 01 F 1/86 Лазерно-акустический уровнемер / Б.В. Скворцов, Д.И. Блинов, С.А. Борминский, А.Н. Малышева-Сгройкова; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. -№ 2013120735/28; заявл. 06.05.2013; опубл. 27.10.2013.

8 Патент на полезную модель RU №151875, МПК G 01 F 23/00 Лазерно-телевизионный уровнемер / Б.В. Скворцов, Д.И. Блинов, С.А. Борминский; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. - № 2014138441; заявл. 23.09.2014; опубл. 20.04.2015.

в прочих изданиях:

9 Блинов, Д.И. Метод измерения временных интервалов между импульсами сложной формы / Д.И. Блинов, Б.В. Скворцов // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций». - Самара, 2011. - С. 43-47.

10 Блинов, Д.И. Проблема диагностирования антистатического токопроводящего покрытия топливных баков ракет-носителей и вариант её решения / Д.И. Блинов, A.C. Самсонов // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники (Ш Козловские чтения)». - Самара, 2013. - С. 443-450.

Подписано в печать 10.06.2015 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, СГАУ