автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Прецизионный волоконно-оптический преобразователь для измерения концентрации и определения состава жидких сред

На правах рукописи УДК 621.383.8

КОРОБКОВ Вадим Владимирович

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ЖИДКИХ СРЕД

Специальность 05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском государственном авиационном институте (техническом университете).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.И.Бусурин.

Официальные оппоненты

- лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор А.И.Москалев

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б.Г.Горшков

Ведущая организация - Институт радиотехники и электроники РАН.

Защита состоится «_»_1998г. в _час. _мин. на

заседании диссертационного совета Д 053.18.02 Московского государственного авиационного института (технического университета) по адрес}': 125871, г.Москва, Волоколамское ш., д.4.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан <,<,25>ъс)г/са$№ 199/У.

Ученый секретарь диссертационного совета ^¿Л^,/ Ю.В.Горбатов

Д 053.18.02

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На практике часто встречаются задачи, связанные с необходимостью идентификации состава и измерением концентрации компонентов жидких смесей. Они возникают при контроле качества топливных смесей, автоматизации технологических процессов нанесения гальванических покрытий, в пищевой промышленности. В связи с тем, что в настоящее время не существует прямых методов идентификации состава и измерения концентрации компонентов, идентификация осуществляется с помощью косвенных методов на основе каких-либо свойств смесей, на которые оказывает влияние концентрация. Несмотря на то, что наиболее достоверным является химический способ определения состава, он имеет существенные недостатки, значительно сужающие область его применения. К ним относятся: большая длительность процесса измерения, сложность или невозможность полной автоматизации процесса измерения, наличие расходуемых химических реактивов, изменение свойств смесей под воздействием реактивов и другие.

В автоматизированном производстве для измерения концентрации компонентов и определения состава наибольшее применение нашли методы, основанные на зависимости физических свойств смеси от содержания ее компонентов. При этом существующие измерители концентрации компонентов и определители состава несмотря на существенные отличия в схемах и принципе действия не удовлетворяют потребителей по совместному выполнению требований к точности измерений, пассивности по отношению к среде измерения, способности работать в условиях сильных электромагнитных помех, в пожаро-, взрывоопасных и агрессивных средах. Большинство существующих измерителей концентрации компонентов и определителей состава являются крупногабаритными и стационарными.

От указанных недостатков в большей мере свободны оптические измерители концентрации компонентов и определители состава, для которых требования к пассивности по отношению к анализируемой среде и безопасности работы обеспечиваются применением элементов оптической техники при изготовлении чувствительных элементов измерительных преобразователей. При этом существующим оптическим измерителям концентрации компонентов и определителям состава присуши и недостатки, связанные с низкой чувствительностью и большой дополнительной погрешностью. Увеличение чувствительности за счет увеличения протяженности области взаимодействия оптического излучения с анализируемой смесью практически не дает эффекта, так как приводит к увеличению дополнительной температурной

погрешности измерения концентрации компонентов смеси. В связи с вышеизложенным разработка прецизионного волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации и определения состава жидких сред (ПВП), отличающегося повышенной помехозащищенностью и высокой чувствительностью на основе оптических чувствительных элементов, работающего в реальном масштабе времени, является важной и актуальной задачей. Разработка и исследование прецизионного волоконно-оптического преобразователя проводилось в рамках работ Московского государственного авиационного института по темам 1.40.91, 1.33.96, научно-технической программе Минобразования РФ фундаментальных и научных исследовании "Новые технологии и автоматизация производственных процессов в машиностроении", межвузовской целевой программе Минобразвания РФ по решению научно-технической проблемы "Новые принципы построения и разработка оптических процессоров, в том числе адаптивных" /шифр "Оптические процессоры"/.

Цель-работы. Обеспечение прецизионного измерения

концентрации бинарных смесей и идентификации состава жидких сред в пожаро-, взрывоопасных условиях, при разработке автоматических систем регистрации параметров и управления процессами, работающих в реальном масштабе времени.

Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

• анализ методов и средств идентификации состава и определения концентрации компонентов жидких сред и разработка функциональной схемы преобразователя, пригодного для прецизионного измерения концентрации компонентов агрессивных и пожаро-, взрывоопасных бинарных жидких сред и идентификации их состава на основе априорной информации;

• разработка математической модели, описывающей свойства

преобразователя в широком диапазоне показателей преломления

анализируемых сред, содержащего грубый и точный каналы

определения состава и измерения концентрации компонентов жидких сред;

• исследование влияния изменения параметров преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред на его характеристики;

• разработка алгоритма идентификации состава и измерения концентрации компонентов двухкомпонентных жидких сред по показателю преломления;

• анализ влияния внешних дестабилизирующих факторов и технологических погрешностей на характеристики волоконно-

оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред; • разработка методики расчета параметров волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред.

Методы исследования. В процессе выполнения работы применялись аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. Аналитические методы основывались на положениях теории связи световодов, волновой оптики, а также на теории погрешностей. Численные методы применялись при машинном моделировании волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред. Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Научная новизна заключается в разработке адекватного математического описания взаимодействия регистрируемого параметра с параметрами оптического излучения в связанных многослойных одномодовых коаксиальных световодах. Обосновано использование двухканальной схемы, включающей широкодиапазонный (грубый) и точный каналы, для измерения концентрации компонентов и идентификации состава жидких смесей. Установлена связь чувствительности прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления с его конструктивными параметрами и характеристиками, определены условия получения максимальной чувствительности. Получено аналитическое выражение функции преобразования чувствительного элемента прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления.

Практическая ценность. Разработана методика расчета параметров малогабаритных оптических преобразователей для измерения концентрации компонентов и идентификации состава жидких сред. Созданы малогабаритные, высокочувствительные преобразователи для измерения концентрации ■ компонентов бинарных жидких сред и идентификации состава жидких сред на основе априорной информации, работоспособные в широком диапазоне изменения температуры и других внешних воздействий, безопасные и экологически безвредные. Исследовано влияние погрешностей изготовления чувствительного элемента прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления на его точностные характеристики. Проведена экспериментальная проверка разработанных преобразователей в автоматизированной системе комплексной оценки параметров топлива. Выработаны рекомендации по применению разработанных преобразователей для измерения концентрации компонентов бинарных

жидких смесей, определения состава жидких сред и комплексной оценки параметров топлива. Результаты работы внедрены в АО ОКБ им. А.С.Яковлева.

Автор защищает:

• функциональную схему волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред;

• математическую модель, описывающую в широком диапазоне изменения показателей преломления свойства волоконно-оптического преобразователя на основе управляемой связи двухканальных коаксиальных световодов, используемого для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред;

• алгоритм ускоренного нахождения постоянных распространения оптического излучения в двухканальных коаксиальных световодах, не удовлетворяющих допущению слабой направляемое™;

• способ увеличения диапазона прецизионного измерения показателя преломления;

• алгоритм идентификации состава и определения концентрации компонентов двухкомпонентных жидких сред по показателю преломления;

• методику расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред;

• рекомендации по использованию волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред, применяемого в автоматических системах регистрации параметров и управления процессами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• научно-технической конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем" /1990г, Севастополь/;

• International Symposium on Automatic Control /1993, Moscow/;

• Международном аэрокосмическом конгрессе /1994г., Москва/;

• The Third BUAA/MAI International Symposium on Automatic Control /1995, Beijing/;

• Третьей научно-технической конференции "Контроль и управление в технических системах" /1995г., Винница/;

• научной конференции "XII Гагаринские чтения" /1996г., Москва/;

• The Fifth International Symposium on Measurement and Control in Robotics /1996, Brussel/;

• Шестой международной конференции "Информатизация систем безопасности" /1997г., Москва/;

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах ( в том числе 2 без соавторов ) и 11 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных результатов работы. Изложена на 224 страницах машинописного текста, иллюстрированных 69 рисунками, имеет список использованных источников, включающий 54 наименования и приложения на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана необходимость разработки прецизионного преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред, работоспособного в условиях сильных электромагнитных помех, при высоких температурах, в агрессивных, пожаро- и взрывоопасных средах. Формулируются основные задачи, решаемые в работе, и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор существующих методов и средств измерения концентрации компонентов и определения состава смесей, разработана структурная схема прецизионного волоконно-оптического преобразователя. Анализ показал, что для автоматизированного производства наиболее подходят средства измерения концентрации компонентов и определения состава на основе анализа физических свойств смесей, таких как плотность, вязкость, электропроводность, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость, ядерный магнитный резонанс, пропускание радиоактивного излучения, цвет, показатель преломления, светопропускание, спектральное поглощение и других, от состава анализируемой бинарной системы, состоящей из двух компонентов. При однозначной зависимости прибор, измеряющий это свойство, может быть проградуирован в единицах концентрации. При этом выгодно отличаются измерители концентрации компонентов и определители состава с измерительными преобразователями на основе оптических чувствительных элементов. Они обладают более высокой помехозащищенностью, не оказывают воздействия на анализируемую смесь, пожаро- и взрывобезопасны. На их основе возможно построение малогабаритных преобразователей с погрешностью, не превышающей долей процента.

Показана перспективность использования оптических чувствительных элементов на основе управляемой связи в многослойных

двухканальных коаксиальных волоконных световодах. По сравнению с оптическими чувствительными элементами, работающими на других способах модуляции, они обладают более высокой чувствительностью, меньшей температурной и временной погрешностью, проще реализуются конструктивно. Функциональная схема волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации и определения состава жидких сред (рис.1), позволяющая реализовать требования, предъявляемые к высокой чувствительности, включает два независимых канала измерения показателя преломления: широкодиапазонный (грубый) и прецизионный (точный).

Точный и грубый каналы измерения показателя преломления контролируемой смеси реализованы по единой базовой схеме. Входом Функциональная схема ПВП

А1

Т» Та,

йь -►

{гн

«А

УН 12

«а

I- 7

13

11

1

10 л \ < 4 14

АМ

4

Л

I - широкодиапазонный измерительный преобразователь показателя преломления анализируемой смеси, 2, 3 - прецизионные измерительные преобразователи показателя преломления анализируемой смеси, 4 -измерительный преобразователь температуры анализируемой смеси, 5 -измерительный преобразователь температуры аналогового измерительного тракта, 6 - устройство сбора данных, 7 - источник эталонного напряжения, 8 - генератор тактовых сигналов, 9 -однокристальная микро-ЭВМ, 10 - вторичный источник электропитания,

II - автономный источник питания, 12 - интерфейс внутренней оптической (или проводной) линии связи, 13 - энергонезависимое оперативное запоминающее устройство, 14 - программируемый таймер, 15 - устройство обработки информации

Рис.1

канала является анализируемый параметр - показатель преломления смеси псм, а выходом - цифровой код, пропорциональный концентрации компонентов смеси, подаваемый на цифровой канал обработки информации. Точный канал реализован на основе двухканального многослойного коаксиального волоконного световода с управляемой связью каналов, грубый канал реализован на основе чувствительного элемента с профилированным оптическим каналом.

В волоконно-оптическом преобразователе для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред используются измерительные преобразователи показателя преломления двух типов: один - широкодиапазонный и два прецизионных. Необходимость использования широкодиапазонного измерительного преобразователя связана с отсутствием у используемых прецизионных измерительных преобразователей абсолютного начала отсчета, ввиду немонотонности их функции преобразования. При этом значение концентрации компонентов, входящих в состав смеси, вычисляется по информации, снимаемой с широкодиапазонного измерительного преобразователя, а затем уточняется по информации, снимаемой с прецизионных измерительных преобразователей. Чувствительные элементы нониусного измерительного преобразователя имеют периодическую функцию преобразования для показателя преломления контролируемой смеси, с переменной чувствительностью. Для достижения максимальной чувствительности во всем рабочем диапазоне используются два прецизионных измерительных преобразователя.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред на основе управляемой связи в многослойных двухканальных коаксиальных световодах. Принцип действия ПВП основан на измерении показателя преломления контролируемой смеси и вычислении значения концентрации составляющих смесь компонентов. При этом учитывается температура смсси и температура аналогового измерительного тракта. Для повышения точности определения концентрации и повышения достоверности идентификации состава ПВП содержит пять измерительных каналов: три измерительных канала показателя преломления контролируемой смеси - широкодиапазонный (грубый) и два прецизионных, содержащие встроенные схемы стабилизации параметров, измерительный канал температуры смеси и измерительный канал температуры аналогового измерительного тракта.

Обобщенная математическая модель ПВП имеет вид:

»=1-1 к /¿-4 н

\

5,0

где Э (Оп-1 ... Б0) - многоразрядный цифровой код, соответствующий значению эффективного показателя преломления контролируемой смеси, и концентрациям составляющих смесь компонентов, -

функция преобразования цифрового канала обработки информации, ф шЛпс»>г,фф,Тсм,Тш) - цифровая функция преобразования широкодиапазонного канала ПВП, Ф„„, (псм, >], и,, Тсм ,Тагп), фмг(пс«>г,>п,>Тсм'Тат) " цифровые функции преобразования первого и второго прецизионных измерительных каналов ПВП, ТСЛ( (Тсм, Тат) -цифровая функция преобразования канала измерения температуры контролируемой жидкой смеси, Тат(Тат) - цифровая функция преобразования канала измерения температуры аналогового измерительного тракта, Е - калибровочный коэффициент, В - цифровая функция учета информации базы данных, О - цифровая функция учета априорной информации.

Значение калибровочного коэффициента Е определяется в результате калибровки ПВП по набору эталонных жидкостей с известными характеристиками, и проведения в процессе работы периодических автоматических калибровок аналогового измерительного тракта по эталонным электрическим сигналам.

Функция преобразования цифрового канала обработки информации включает функции преобразования семи программных модулей. Программные модули поэтапно устраняют погрешности ПВП, связанные с изменением температуры контролируемой жидкой смеси и изменением температуры аналогового измерительного тракта, линеаризируют функцию преобразования ПВП. Для увеличения скорости обработки информации функции преобразования всех программных модулей сформированы в виде таблиц. Каждая строка таблицы представляет собой функцию преобразования при фиксированных входных параметрах. Для сокращения объема требуемой памяти используется аппроксимация и интерполяция значений с помощью сплайн - функций третьего порядка, принимающих в узлах интерполяции точные табличные значения.

Прецизионный первичный преобразователь реализован на основе чувствительного элемента из отрезка многослойного двухканального коаксиального световода. Световод представляет собой многослойную структуру (рис.2), состоящую из волноводного стержня, окруженного

волноводом в виде трубки, между которыми располагается неволноводный концентрический разделительный слой. И имеет ступенчатый профиль изменения показателя преломления.

Условия связи между каналами коаксиального световода зависят от показателей преломления и геометрических параметров слоев этой многослойной структуры. Изменение показателя преломления Структура двухканального коаксиального волоконного световода продольное сечение (а), поперечное сечение (б), профиль изменения показателей преломления слоев (в)

в)

Рис.2

контролируемой смеси приводит к перераспределению мощности оптического излучения, вводимого в световод, между двумя одномодовыми каналами. Разработанная полная математическая модель коаксиального волоконного световода позволяет рассчитывать параметры ПВП в широком диапазоне изменения показателя преломления анализируемой жидкой смеси и не использует допущение о слабой направляемости слоев коаксиальной структуры.

Постоянная распространения по волноводной трубке Д (лсм, 7^) определяется на основе решения уравнения для определителя матрицы А: с!е1А=0. Коэффициенты матрицы А являются функциями геометрических параметров коаксиального световода, показателей преломления слоев, длины волны оптического излучения.

Относительная мощность оптического излучения на выходе коаксиального волоконного световода определяется по формуле:

ЛЫЛЯсуЛ,.) ] 5щ1 + ~ Д (псм у Тем))! 2с(пс.и > Та, )]2

где ßr - постоянная распространения оптического излучения по волноводному стержню, с{пы, Тсм) - коэффициент связи каналов коаксиального световода.

Функция преобразования прецизионного канала ПВП ф„* ("с.,,. '¡'с.-.,> Тат) в n-разрядный двоичный код имеет вид: Ф/,*(пс.м. Тси, Тат) = /„,/„ (Тат)fmwc(Tam)/щП (Тат ,ri)■

^пои ('^ат ) ^вых i^ai' ^см > ^am ) ^

где fmi„(Tam) - функция преобразования тока приемника оптического излучения в напряжение, fmux(Tam) - функция преобразования канала мультиплексора аналоговых сигналов, /щп{Тат,п) - функция преобразования аналого-цифрового преобразователя, Кп<т (Тат) коэффициент передачи приемника оптического излучения.

Для получения постоянной чувствительности измерительного преобразователя показателя преломления во всем рабочем диапазоне определения концентрации компонентов смеси обеспечивается относительный сдвиг функций преобразования двух независимых преобразователей (рис.3).

Способ получения функции преобразования программного модуля, линеаризующего функцию преобразования ПВП

1, 2 - функции преобразования первого и второго прецизионных измерительных преобразователей показателя преломления, 3 - функция преобразования широкодиапазонного измерительного преобразователя, 4 - функция преобразования программного модуля

Рис.3

Для обеспечения однозначности измерения показателя преломления контролируемой среды используется широкодиапазонный

измерительный преобразователь с профилированным каналом на основе многомодового волоконного световода с крутым изгибом.

Для проведения моделирования ПВП по полной математической модели в реальном масштабе времени разработан алгоритм ускоренного нахождения постоянных распространения излучения, состоящий из предварительного нахождения значения корня по упрощенной математической модели и последующего уточнения значения по полной математической модели. Численные методы, используемые для нахождения начального приближения по упрощенной математической модели, ориентированы на поиск корней функций, заданных неявно, имеющих большое число точек разрыва 1-го и 2-го рода, не являющимися корнями уравнения.

Разработан алгоритм идентификации состава бинарных жидких сред, состоящих из сложных компонентов, по показателю преломления, позволяющий учитывать априорную информацию. За счет разбиения требуемого рабочего диапазона на поддиапазоны и использования в каждом поддиапазоне двух прецизионных измерительных преобразователей с функциями преобразования, смещенными друг относительно друга на четверть периода, рабочий диапазон измерительного преобразователя показателя преломления расширен с 0,0005 до 0,006. Определение рабочего поддиапазона и рабочего преобразователя в нем осуществляется с помощью информации, снимаемой с широкодиапазонного измерительного преобразователя.

Экспериментальная проверка подтвердила математическую модель ПВП, отклонение результатов эксперимента от теории не превышает 4%. Эксперимент проводился с высокостабильными силиконовыми маслами, взятыми в качестве изотропных жидкостей с известными характеристиками.

В третьей главе рассматриваются вопросы определения погрешности волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации и определения состава жидких сред. Проведен анализ составляющих основной и дополнительной погрешности волоконно-оптического преобразователя.

Выражение для вычисления основной погрешности чувствительного элемента прецизионного измерительного преобразователя имеет вид:

где б , , 6П} - погрешности, вызванные отклонением показателей

преломления слоев коаксиального световода от номинального значения, бс - погрешности, вызванные отклонением радиусов слоев коаксиального световода от номинального значения.

При выбранных параметрах двухканального коаксиального световода основная погрешность преобразователя составляет порядка 0,19%. Анализ показал, что необходимо учитывать погрешность измерения концентрации компонентов смеси, вызванную изменением показателя преломления смеси при изменении температуры смеси, которая может достигать 10...30%. Использование измерительных преобразователей температуры анализируемой жидкой смеси в составе ПВП позволяет уменьшить величину этой погрешности до десятых долей процента.

Показано, что зависимость показателя преломления смеси от длины волны оптического излучения может использоваться в высокочувствительных измерительных преобразователях на основе анализа спектров поглощения жидких смесей, использующих коаксиальный световод в качестве чувствительного элемента. Получено выражение для коэффициентом затухания световода за счет взаимодействия мод. Значение коэффициента затухания световода составляет десятые доли процента на метр и межмодовое взаимодействие за счет наличия неровностей на поверхности слоев не учитывается.

При калибровке измерительного преобразователя по набору эталонных жидкостей с известными характеристиками устраняются аддитивные погрешности и устанавливается значение коэффициента передачи оптического тракта с точностью до долей процента. Для исключения калибровки при замене одного измерительного преобразователя на другой измерительные преобразователи имеют встроенные ПЗУ с запрограммированной в них функцией преобразования чувствительных элементов.

Четвертая глава посвящена расчету параметров волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации компонентов и определения состава жидких сред по исходным данным.

Исходными данными для расчета ПВП могут являться: состав идентифицируемых бинарных смесей, диапазон изменения концентрации компонентов смеси, температурный диапазон работы ПВП и измерительных преобразователей, основная и дополнительная погрешности ПВП, минимально детектируемая концентрация, линейность функции преобразования, длина линии связи, интенсивность и частотный спектр помех, напряжение питания, способ визуального представления информации. Методика расчета позволяет определить параметры измерительных преобразователей показателя преломления на основе требований, предъявляемых к ПВП. Показано, что для прецизионной идентификации состава топлива с погрешностью не более 0,005% по показателю преломления в диапазоне 1,40...1,41 требуется три

поддиапазона измерения показателя преломления с шестью измерительными преобразователями (по два в каждом поддиапазоне). Для получения погрешности измерения концентрации в 0,1% достаточно использовать два преобразователя, перекрывающих весь указанный диапазон, с функциями преобразования, смещенными на тс/2.

Для идентификации близких по параметрам жидких смесей разработан дискретный идентификатор состава жидких сред, использующий подсчет периодов немонотонной функции преобразования прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления. Для определения направления изменения показателя преломления использованы два канала, для определения абсолютного начала отсчета - комбинация с измерительным преобразователем с профилированным оптическим каналом.

Даны рекомендации по использованию прецизионного преобразователя для автоматического контроля нанесения гальванического покрытия в реальном масштабе времени.

Для расчета параметров волоконно-оптического преобразователя разработано программное обеспечение. Приведены примеры реализации волоконно-оптического преобразователя с измерительными преобразователями на основе многослойных двухканальных коаксиальных волоконных световодов для комплексной оценки параметров топлива в топливном баке летательного аппарата, для управления процессом нанесения гальванических покрытий, для дискретной идентификации близких по составу смесей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана функциональная схема волоконно-оптического преобразователя для прецизионного измерения концентрации и определения состава жидких сред в реальном масштабе времени, включающая три измерительных канала показателя преломления (два прецизионных и один широкодиапазонный) и два измерительных канала температуры аналогового измерительного тракта и температуры анализируемой смеси. Обоснована целесообразность использования в качестве чувствительного элемента прецизионного измерительного преобразователя показателя преломления двухканального многослойного коаксиального волоконного световода с управляемой связью каналов.

2. Разработана математическая модель, описывающая в широком диапазоне показателей преломления свойства прецизионного волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации и определения состава жидких сред на основе управляемой связи

двухканальных коаксиальных световодов, не использующая предположение о слабой направляемости внешних слоев световода.

3. Разработан алгоритм ускоренного нахождения постоянных распространения оптического излучения в двухканальных коаксиальных световодах, не удовлетворяющих допущению слабой направляемости. Ускорение в 4-12 раз получается за счет предварительного вычисления по упрощенной математической модели, и за счет ограниченного числа вычислений по полной математической модели. Экспериментальная проверка подтвердила математическую модель прецизионного волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации и определения состава жидких сред, отклонение результатов эксперимента не превышает 4%.

4. Предложен способ увеличения диапазона прецизионного измерения показателя преломления. Для увеличения рабочего диапазона измерения показателя преломления с 0,0005 до 0,006 в каждом поддиапазоне используется по два прецизионных преобразователя с функциями преобразования, смещенными друг относительно друга на четверть периода, и один широкодиапазонный преобразователь. Относительный сдвиг функций преобразования достигается за счет выбора параметров двухканального коаксиального световода.

5. Разработаны алгоритмы измерения концентрации компонентов двухкомпонентных жидких сред и идентификации состава жидких сред по показателю преломления и априорной информации, позволяющие получить интегральные оценки по всему контролируемому объему и предположить возможный состав и состояние смеси через заданное время.

6. Показано, что при использовании "грубо-точного" измерения основная погрешность прецизионного волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации и определения состава жидких сред при измерении показателя преломления составляет 0,19%, а дополнительная температурная погрешность - 0,08% на 10К при использовании кварцевого двухканального коаксиального световода и астатической схемы стабилизации мощности оптического излучения.

7. Показано, что немонотонность функции преобразования измерительного преобразователя на основе коаксиального волоконного световода может использоваться при построении дискретных идентификаторов для жидкостей, имеющих близкие характеристики. Обосновано, что зависимость показателя преломления от длины волны оптического излучения может быть использована при построении высокочувствительных измерительных преобразователей на основе анализа спектра оптического излучения.

8. Предложена и реализована итерационная методика расчета

конструктивных параметров прецизионного волоконно-оптического преобразователя для измерения концентрации и определения состава жидких сред, позволяющая определять значения параметров прецизионного волоконно-оптического преобразователя на основе исходных данных о составе идентифицируемых бинарных смесей, диапазоне изменения концентрации компонентов смеси, температурном диапазоне работы, основной и дополнительной погрешности, минимально детектируемой концентрации, линейности функции преобразования, длине линии связи, интенсивности и частотном спектре помех, напряжении питания, способе визуального представления информации.

9. Даны рекомендации по использованию ПВП в автоматических системах регистрации параметров и управления процессами на примере системы комплексной оценки параметров топлива, системы нанесения гальванических покрытий, дискретного идентификатора состава.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1.Кашкин В.В., Коробков В.В. Оптоэлектронный измеритель уровня жидких сред с дистанционной передачей информации. Тезисы докладов конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", Севастополь, 1990г. -с.96.

2. Braznicova T.Yu., Busurin V.l., Gorelenkov V.L., Korobkov V.V. Unified fiber-optic transducers for automatic control systems. Proceedings of the 1993 MAJ/BUAA international symposium on automatic control. Part 2., Moscow, Yaropolets, 1993. -p. 159-164.

3. Бражникова Т.Ю., Бусурин В.И., Коробков B.B. Унифицированные волоконно-оптические преобразователи для автоматизации производственных процессов. Известия ВУЗов. -Сер. Машиностроение, №6, 1993г. -с.90-94.

4. Бражникова Т.Ю., Бусурин В.И., Коробков В.В. Идентификатор вида жидкости с автоматической коррекцией температурной погрешности. Тезисы докладов Международного аэрокосмического конгресса, Москва, 1994г.

5. Бражникова Т.Ю., Бусурин В.И., Коробков В.В. Измеритель концентрации компонентов многокомпонентных смесей для технологических процессов. В кн.: Машиностроение, приборостроение, энергетика. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1994. -с.40-43.

6. Бражникова Т.Ю., Бусурин В.И., Коробков В.В., Прохоров Н.И. Преобразователи физических полей на основе двухканальных коаксиальных световодов. Квантовая электроника, 22, №10, 1995г. -

с.1023-1026.

7. Коробков В.В. Оптоэлектронный измеритель концентрации многокомпонентных смесей. Труды Третьей научно-технической конференции "Контроль и управление в технических системах", г.Винница, Украина, сентябрь 1995г.

8. Braznicova T.Yu., Busurin V.I., Korobkov V.V., Prokhorov N.I. Transducers of physical fields based on two - channel coaxial optical fibers. Quantum Electronics, №25, 1995. -p.988-991.

9. Astahov V.I., Brajnicova T.Y., Busurin V.I., Korobkov V.V. Optoelectronic means of increase of flights safety. Proceedings of the third BUAA/MAI international symposium on automatic control. Beijing, China, November 12,1995. -p.154-159.

Ю.Коробков В.В. Многоканальный волоконно-оптический измеритель концентрации многокомпонентных смесей. Сборник трудов 6-ой международной конференции "Системы безопасности" - СБ-97, МИЛЕ, Москва, 29 октября 1997г. -с.46-48.