автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Разработка волоконно-оптических методов и средств контроля параметров технологических растворов в химических производствах

Алтайский государственный технический

университет имени И.И. Ползунова

-- ''

, V • I

На правах рукописи

УДК 681.128.63 : 621.372.8

Ломакин Геннадий Серафимович

РАЗРАБОТКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ В ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Специальность: 05.02.11 - Методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул -1995

Работа выполнена в Бийском технологическом институте Алтайского Государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РСФСР

Ворожцов Борис Иванович

Официальные оппоненты: Якунин Алексей Григорьевич, д.т.н.,

профессор Апт ГТУ, г. Барнаул

Шатухин Александр Семенович, к.т.н., доцент АГУ, г. Барнаул

Ведущая организация: НИИ прикладной математики и механики при Томском государственном университете, г. Томск

Защита состоится $" /¿¿А ^95 г в «/¿? » часов на

заседании диссертационного Совета к 064.29.01 в конференц зале Алтайского государственного технического университета имени И.И. Ползунова по адресу 656099 г.Барнаул, ул. Ленина 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АптГТУ г. Барнаула.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью просим направлять по адресу: 656099 г.Барнаул, ул. Ленина 46, Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова.

Автореферат разослан < 1995

года.

Ученый секретарь диссертационного Совета К 064.29.01,

доктор технических наук В.И. Замятин

Актуальность работы. Химическое производство - это комплекс сложных химических процессов, требующих высокого уровня развития систем контроля и управления различными технологическими операциями. Широкое применение контрольно-измерительных систем служит необходимым условием повышения производительности технологических процессов, обеспечения надежности и безопасности сложных химических производств, использующих агрессивные и взрывоопасные техноло гические растворы.

Однако для обеспечения контроля новых технологических процессов существующие традиционные методы зачастую непригодны.

При этом в большинстве случаев, особенно в опытных вновь создаваемых производствах определение параметров технологических растворов ведется либо визуальным методом, либо на основе лабораторных анализов, что значительно снижает надежность и оперативность контроля и тем самым делает его непригодным для систем управления.

В этой связи весьма актуальна разработка новых эффективных методов и средств контроля, отвечающих требованиям взрывобезопасности и обеспечивающих получение оперативной информации о ходе технологического процесса, что позволило бы использовать их как составной элемент АСУТП. По этой причине не случайно внимание к волоконной оптике, открывающей новые возможности в разработке самых разнообразных методов и средств контроля технологических параметров. Этот круг проблем определил актуальность выбранной темы диссертационной работы.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключается в решении следующих задач:

- обоснование выбора волоконно-оптических методов для решения задач контроля параметров технологическоих растворов;

- выбор основных физических принципов контроля параметров технологических растворов с применением волоконно-оптических преобразователей;

- теоретическое исследование нерегулярных волоконных световодов, систематизация и классификация преобразователей на основе нерегулярных волоконных световодов;

- экспериментальное исследование нерегулярных волоконных световодов и построение на их основе базовых первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов;

- разработка методов проектирования и оптимизации конструкций первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов;

- создание и внедрение комплекса волоконно-оптических приборов контроля параметров технологических растворов;

- изучение возможностей применения полученных результатов в смежных областях науки и техники.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- выработаны критерии, положенные в основу классификации амплитудных волоконно-оптических преобразователей, основанные на характере взаимодействия проходящего светового потока с внешней средой: отсутствие взаимодействия с внешней средой (изогнутые световоды), взаимодествие вдоль границы с внешней средой (поверхностно-нерегулярные световоды), прохождение светового потока через внешнюю среду (световоды с разрывом);

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние параметров нерегулярных многомодовых световодов на характеристики амплитудных первичных преобразователей, выполненных на их основе;

- получены аналитические выражения, описывающие зависимости коэффициента пропускания световода от радиуса изгиба для многослойных световодов, от длины чувствительного элемента для поверхностно-нерегулярных световодов;

- разработаны инженерные методики для расчета и оптимизации конструкций волоконно-оптических первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов.

Научные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Задачи оперативного контроля параметров многокомпонентных технологических растворов, отличающихся повышенной агрессивностью и взрывоопасностью, могут быть эффективно решены с использованием волоконно-оптических средств технологического контроля, основанных на методах спектрофотометрии и рефрактометрии.

2. Типы волоконно-оптических амплитудных преобразователей характеризуются видом взаимодействия проходящего светового потока со средой, т.е. видом нерегулярного световода, лежащего в основе первичного преобразователя, и в соответствии с этим критерием делятся на три группы: на основе деформированных световодов, на основе по верхностно-нерегулярных световодов, на основе световодов с разрывом.

3. Коэффициент пропускания изогнутого многослойного световода зависит от параметров каждого слоя и описывается выражением:

/V

.V

4. Коэффициент пропускания поверхностно-нерегулярного световода 'зависит от длины Ь и показателя преломления и нерегулярного участка и описывается выражением:

Практическая ценность работы рассматривается в трех аспектах во-первых, предложена классификация амплитудных воло-конно оптических преобразователей, которая дает наглядное и систематизированное представление о возможных конструкциях первичных преобразователей каждого типа, указывает область задач, решение которых возможно с помощью данных преобразователей; во-вторых, сформулированы практические рекомендации и получены инженерные соотношения для расчета и оптимизации конструкций первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов; в-третьих, представлены практические результаты разработки комплекса волоконно-оптических приборов контроля параметров технологических растворов применительно к различным технологическим процессам химического производства. Показана возможность использования результатов работы в смежных областях науки и техники.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

- на 7 и 8 Всесоюзных научно-технических конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1988,

- на Всесоюзной конференции "Волоконная оптика", Ленинград, 1990 г.

- на III Всесоюзной научно-технической конференции "Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности", Киев, 1984 г.

- на 5 Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе", Барнаул, 1990 г.

- на III Международной конференции "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов", Барнаул, 1994 г.

- на 52-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета, Барнаул, 1994 г.

- на III юбилейной научно-практической конференции "Научно-техническое творчество аспирантов и профессорско-преподавательского состава", Бийск, 1995 г.

1990 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства.

Использование материалов работы в учебном процессе.

Материалы работы с 1992 года используются в учебных курсах специальности информационно-измерительная техника БТИ АлтГТУ: "Методы неразрушающего контроля", "Теоретические основы методов измерений", "Оптоволоконные средства в информационно-измерительной технике".

На базе разработанного измерительного комплекса проводятся лабораторные работы: "Датчик перемещений на основе изогнутого световода ", "Датчик микроперемещений на основе световода с разрывом", "Рефрактометр на основе поверхностно-нерегулярного световода".

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 120 страниц, в том числе 51 рисунок и 6 таблиц. Список литературы содержит 71 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана характеристика технологических растворов, рассмотрены их особенности, связанные с химическим производством.

Определен круг параметров, необходимых для обеспечения технологического контроля. На основании литературных данных проведен анализ состояния оптических и волоконно-оптических методов и средств контроля технологических параметров жидких сред. Сформулирована постановка задач исследований.

Технологические растворы являются основным объектом контроля технологических процессов во многих химических производствах.

При этом существует большое разнообразие как видов технологических растворов, так и условий, в которых они находятся.

Характерная особенность большинства технологических растворов - их повышенная агрессивность и взрывоопасность, что накладывает дополнительные специальные требования на контрольно-измерительные устройства и ограничивает виды материалов, используемых при разработке и изготовлении первичных преобразователей.

1Многие технологические растворы в ходе технологических процессов находятся при повышенных температурах, под воздействием избыточного или пониженного давления. В этих случаях контроль за параметрами растворов должен проводиться непосредственно внутри технологических аппаратов, поскольку отбор пробы требует не только приостановки технологического процесса, но и приводит к изменению физико-химических свойств самого раствора. Эти требования существенно ограничивают методы, используемые для контроля технологических растворов.

Наиболее перспективными методами контроля параметров технологических растворов с учетом вышеназванных требований являются оптические методы, среди которых наибольшее распространение получили спектрофотометрические и рефрактометрические методы, рассмотренные в данной работе применительно к задачам технологического контроля в химическом производстве.

Основными причинами, сдерживающими применение этих методов и контрольно-измерительных приборов на их основе являются, прежде всего, сложность оптических схем, весьма чувствительных к механическим колебаниям и температурным изменениям, а также необходимость обеспечения взрывозащиты при использовании измерительной аппаратуры в производственных условиях. Кроме того, многие методы контроля требуют отбора пробы из технологического аппарата. Это приводит либо к усложнению конструкции аппарата за счет пробоотборной линии, либо к необходимости приостановки технологического процесса для взятия пробы.

Возможность использования универсальных и высокоточных оптических методов для технологического контроля появилась только благодаря развитию нового перспективного направления - волоконной оптики. Использование волоконно-оптических элементов позволяет сохраняя преимущества оптических методов обеспечить выполнение требований оперативности контроля, надежности и безопасности измерительных средств.

Из всех рассмотренных в работе видов волоконно-оптических преобразователей задачам контроля параметров технологических растворов в наибольшей степени отвечают амплитудные волоконно-оптические преобразователи, которые в отличии от фазовых и поляризационных преобразователей позволяют реализовать разнообразные контрольно-измерительные средства как для двухкомпонент-ных, так для многокомпонентных смесей. Кроме того, возможность использования в амплитудных волоконно-оптических преобразователях многомодовых световодов и некогерентных источников излучения позволяет значительно упростить конструкцию первичных преобразователен и обрабатывающих приборов, обеспечить требование взрывозащиты.

Все это определяет перспективность использования амплитудных волоконно-оптических преобразователей для оперативного контроля параметров технологических растворов.

Во второй главе предложена классификация первичных преобразователей на основе нерегулярных волоконно-оптических световодов, рассмотрены основные типы конструкций волоконно-оптических преобразователей. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований нерегулярных волоконно-оптических световодов и построенных на их основе базовых первичных преобразователей для контроля параметров технологических растворов. Даны практические рекомендации для разработки контрольно-измерительных приборов и оптимизации параметров первичных преобразователей, являющихся датчиками АСУТП.

Все реальные световоды в той или иной степени нерегулярны, что обусловлено неидеальностью технологии их изготовления, особенностями условий хранения и эксплуатации.

Наличие у световодов нерегулярностей приводит к неизбежным потерям светового потока, что крайне нежелательно при использовании световодов для волоконно-оптических линий связи.

Однако эти нерегулярные участки световодов являются основным элементом волоконно-оптических преобразователей, основанных на зависимости световых потерь от степени нерегулярности.

Каждый вид нерегулярностей имеет свои специфические особенности, определяющие тип и назначение волоконно-оптических преобразователей, созданных на их основе.

Представляется логичным разделить все амплитудные преобразователи на три основные группы в зависимости от характера взаимодействия светового потока с внешней средой, т.е. от вида нерегулярного световода, лежащего в основе первичного преобразователя:

- преобразователи на основе деформируемых световодов,

- преобразователи на основе поверхностно-нерегулярных световодов,

- преобразователи на основе световодов с разрывом.

Характерной особенностью преобразователей на основе деформируемых световодов является то. что световой поток, передаваемый по оптическому каналу, не взаимодействует непосредственно с внешней средой, т.е. присутствует закрытый оптический канал. Внешнее воздействие проявляется в виде модуляции проходящего светового потока за счет искривления оптической оси, либо изменения геометрических или оптических параметров световода (рис.1 ).

Преобразователи на основе деформируемых световодов могут применяться для определения физико-механических характеристик, таких как перемещение, давление, упругость , температура и

Псроыетр техмологи-чегко;о контре,-л

Тит !¡>,ioi4>mio-onTn4tcí<i!.>: npeoOfWiюявтвлвЯ

и« ло<бормиру-'кг nos-pxHüCT-»мчх ceetoBO- ро-ьвригулАЭ-ЯиХ сготозодй/.

иг с««то»одйх с pi J в« юм

твипвраттр»

Vpottub

. УЛ "Jt,

\

t

-7■>,

1_I l_J

$7777'

грпиии» рлзлвл

кокионтрлцял

Ö0Ö

рофрякиид

ф

прозрвчность

Рис.1

Рис.2

т.п. ( рис.2 ). Поскольку нерегулярности такого вида присутствуют практически во всех первичных преобразователях и волоконно-оптических линиях связи, их изучение является важной задачей.

Основной характеристикой преобразователей на изогнутых световодах является зависимость коэффициента пропускания от радиуса изгиба. На основе предложенного в работе подхода к рассмотрению прохождения светового потока по изогнутым многослойным световодам получено выражение :

/=> м Уг)-п^)к

где N - количество слоев световода, А; - парциальные потоки прямого световода, ё; - диаметр ¡-го слоя световода, п, - показатель преломления 1-го слоя световода.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что предложенное аналитическое выражение хорошо описывает экспериментальные данные и может быть положено в основу количественного расчета первичных преобразователей с нерегулярностью такого типа.

Отличительной чертой преобразователей на основе поверхностно-нерегулярных световодов является то, что световой поток, передаваемый по оптическому каналу, взаимодействует с внешней средой вдоль поверхности чувствительного элемента , т.е. присутствует полуоткрытый оптический канал.

Внешнее воздействие проявляется в виде модуляции проходящего светового потока за счет изменения соотношения показателей преломления чувствительного элемента и внешней среды (рис.1).

Первичные преобразователи на основе поверхностно-нерегулярных световодов могут быть использованы для определения вида жидкостей или химического состава растворов, для определения температуры, основанного на измерении показателя преломления, для определения уровня или границы раздела жидкостей и т.п. (рис.2).

В работе проведен анализ влияния параметров нерегулярного участка на характеристики первичных преобразователей, выполненных на его основе. Особое внимание уделено вопросу влияния длины нерегулярного участка на величину рабочего диапазона и погрешность измерений волоконно-оптических рефрактометров. Про-лучено выражение, описывающее зависимость коэффициента пропускания от параметров световода:

т(п,Ь) = Л(н)ехр(-2а(н)/,)

11

2 7

п. ~п

где А(п)=1 для п < п; , А(п)=—--- для п: < п < П1 , гн и т - по-

п\ ~п2

казатели преломления сердцевины и оболочки световода, Ь - длина нерегулярного участка, а (п) - коэффициент затухания.

Исходя из полученных теоретических и экспериментальных данных сформулированы рекомендации по выбору и оптимизации параметров волоконно-оптических рефрактометров и других преобразователей на основе поверхностно-нерегулярных световодов.

1) Верхняя граница рабочего диапазона волоконно-оптического рефрактометра определяется показателем преломления чувствительного элемента, который характеризует максимальное значение измеряемого показателя преломления .

2) Ширина рабочего диапазона волоконно-оптического рефрактометра определяется длиной чувствительного элемента и выражается предложенной формулой:

к ( \л 1 1

Ап И (/2, -п^ 1п— «-1п —

v 1 ъё з ъа

3) Рабочий диапазон волоконно-оптических рефрактометров не изменяется при наличии изогнутого участка с

->-[1-Л(/Г)ехр(-2а(/Г)/)'

4) При наличии участка, изогнутого с Я/а = 150 рабочий диапазон уменьшается менее чем на 5 %, а при К/а = 50 - на 50 %.

Таким образом, без существенного сокращения рабочего диапазона допускается наличие участков с радиусом изгиба Я/а < 150.

Характерной особенностью преобразователей на основе световодов с разрывом является то, что световой поток переходит из одного световода в другой через внешнюю среду, т.е. присутствует открытый оптический канал.

Внешнее воздействие проявляется в виде модуляции проходящего светового потока за счет несоответствия геометрических или оптических параметров излучающего и приемного световодов, а также за счет изменения оптических свойств среды или перемещения элементов, находящихся в зазоре (рис.1 ).

Первичные преобразователи на основе световодов с разрывом могут быть использованы для измерения механических параметров (перемещение, давление, уровень жидкости и т.п. ), а также для определения оптических характеристик (показатель преломления, оптическая плотность) и химического состава сложных смесей ( рис.2).

Таким образом, предложенная классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей позволяет систематизиро

1.« ■ ЗГРГАЛк ¿

Г • AVÍU 3.7 - JTiOttU s - сает^пичьтр

6 • ГМСТТГОСвКГАТЫЬ е. lo - cBcroona; а - погганл» r.wcr» Ii ■ www««

Рис.3

Мел. to.-

X I* /Г С. 9i

Рис.4

So

ус to iff Tie Tit JJÙ T~

Рис.5

2 i

ts> ci

O.í

ot

I 6T.7.

il i

\

is to **

Рис.7

I Л

ïj ij tà ïû ¿o

Рис.6

Рис.8

злть результаты исследований и разработок первичных преобразователей физических величин, дает не только наглядное представление о возможных конструкциях первичных преобразователей каждо-ч> типа, но и указывает область задач, решение которых возможно с помощью данных преобразователей. Такой подход позволяет легко ориентироваться во всем многообразии амплитудных волоконно-оптических преобразователей, осуществлять оптимальный выбор преобразователей, необходимых для обеспечения контроля требуемых параметров технологических растворов.

В третьей главе представлены некоторые практические ре-¡ультаты разработки комплекса волоконно-оптических приборов <онтроля параметров технологических растворов применительно к различным технологическим процессам химического производства.

Рассмотрены конструкции и описан принцип действия приборов для измерения влажности водно-изопропанольных технологи-неских растворов, турбидиметра для производства ультрадисперсных алмазов, рефрактометра для измерения концентрации технологических растворов, уровнемера для производства нитроэфиров.

Метод двухволновой спектрофотометрии в ближней ИК области был положен в основу прибора доя измерения влажности водно-изопропанольных растворов органических солей. Конструктивно измеритель влажности состоит из трех блоков: по-"ружного волоконно-оптического датчика, оптической головки во-ззрывозащищенном исполнении и обрабатывающего прибора об-цепромышленного исполнения.

Особенностью конструкции измерителя влажности является погружной датчик с проточной кюветой 9 (рис.3), помещаемый в технологический аппарат 1, что обеспечивает проведение измерений непосредственно в технологическом растворе. Для подведения светового потока к кювете и отведения прошедшего через кювету светового потока использованы волоконно-оптические жгуты 8 и 10, 5Ходяшие в оптическую схему прибора. Использование погружной сюветы с волоконно-оптическими жгутами позволило исключить процесс отбора пробы, повысить оперативность и достоверность <онтроля. Кроме того, отутствие электрических элементов в датчике обеспечивает его взрывобезопасность.

Разработанный волоконно-оптический измеритель влажности водно-изопропанольных технологических растворов прошел ;аводские испытания, в ходе которых было показано, что он обеспе-швает оперативный контроль влажности в диапазоне от 0 до 20 % с погрешностью не более 1,5 % , что соответствует требованиям дан-юго технологического процесса.

На рисунке 4 представлена градуировочная кривая, полученная в ходе заводских испытаний на реальных технологических растворах.

На рисунке 5 приведена характерная временная диаграмма изменения влажности, зарегистрированная в ходе технологического процесса.

Из приведенных данных видно, что измеритель влажности позволяет оперативно отслеживать изменение влажности в ходе технологического процесса, дает возможность вносить при необходимости изменения в его течение.

На основе метода фотометрии разработан также волоконно-оптический турбидиметр, предназначенный для определения прозрачности технологических растворов в производстве ультрадисперсных алмазов на стадии осаждения, что позволило автоматизировать данный этап технологического процесса и повысить его производительность.

Для измерения концентрации водных растворов органических солей разработан волоконно-оптический рефрактометр, основу конструкции которого составляет волоконный световод с чувствительным элементом, в качестве которого используется прямолинейный участок световода без вторичной оболочки.

Конструктивно разработанный волоконно-оптический рефрактометр состоит из погружного волоконно-оптического датчика на основе поверхностно-нерегулярного световода 2, помещаемого непосредственно в технологический аппарат 1, линий связи 3 и 8, блока стыковки с источником излучения 4 и фотоприемником 7, выполненного во взывобезопасном исполнении, блоков обработки и регистрации сигнала 5 и 6 в искробезопасном исполнении ( рис.6 ).

На рисунке 7 представлена градуировочная кривая, полученная на производственных образцах в ходе испытаний волоконно-оптического рефрактометра. На рисунке 8 приведена зависимость коэффициента пропускания рефрактометра от температуры исследуемого раствора.

Из полученных данных следует, что разработанный волоконно-оптический рефрактометр обеспечивает измерение концентрации водных растворов органических солей в диапазоне концентраций 75-85 % при температуре растворов 70+10°С, при этом абсолютная погрешность измерения концентрации не превышает 1 % , что соответствует требованиям данного технологического процесса.

Основу конструкции волоконно-оптического уровнемера составляет волоконный световод, оголенный участок которого является чувствительным элементом устройства. Для определения уровня жидкости в непрерывном диапазопе используется конструкция датчика с чувствительным элементом, расположенным вертикально. Коэффициент пропускания чувствительного элемента световода в этом случае зависит от величины участка, погруженного в жидкость.

Для дискретного контроля границы раздела двух жидкостей разработана конструкция датчика с чувствительным элементом,

расположенным горизонтально. В этом случае коэффициент пропускания чувствительного элемента зависит от соотношения показателей преломления окружающей жидкости и световода, которые выбираются таким образом, чтобы датчик работал в качестве индики-тора вида жидкости.

Таким образом, разработанный волоконно-оптический датчик обеспечивает оперативный контроль и автоматическое регулирование границы раздела жидкостей в ходе технологического процесса производства нитроэфиров, соответствует требованиям взры-вобезопасности, сохраняет работоспособность для широкого класса контролируемых жидкостей.

Приведены результаты экспериментальных лабораторных исследований, опытно-промышленной отработки и заводских испытаний рассматриваемых измерительных средств.

Приведен анализ собственной погрешности приборов, рассмотрены факторы, влияющие на итоговую погрешность измерительных средств.

Представлены результаты расчета погрешности приборов с использованием ЭВМ. Рассмотрены области использования разра-ботанныхволоконно-оптических средств для решения задач контроля параметров технологических растворов в химических производствах.

В четвертой главе рассмотрены перспективы совершенствования волоконно-оптических средств технологического контроля, повышения точности измерений, пути дальнейшей оптимизации конструкций и параметров первичных преобразователей. Дан анализ возможного применения разработок в смежных областях науки и техники. Даже в виде, приведенном в данной работе, эти измерительные средства позволяют решить ряд проблем, весьма трудных для традиционых методов контроля, поскольку кардинально решают вопросы, связанные с обеспечением взрывобезопасности, со стойкостью к действию агрессивных сред и т.п.

Вместе с тем следует отметить, что наиболее полно преимущество этих методов контроля может бьггь продемонстрировано только в случае автоматизации процесса измерений и обработки полученной информации.

Применение ЭВМ в составе измерительного комплекса совместно с волоконно-оптическими первичными преобразователями дает уникальную возможность использования математических методов обработки информации с учетом специфических особенностей первичных преобразователей и своеобразия технологических проце-сов, что наряду со статистическими методами анализа позволяет существенно повысить точность измерений.

Именно в автоматизации процессов измерения и обработки информации автор видит дальнейший путь совершенствования и

развитая волоконно-оптических методов и средств контроля. Именно такая комплексация средств контроля обеспечивает их использование в системах АСУТП.

Па примере разработанного волоконно-оптического расходомера. датчика микроперемещении, прибора для измерения прозрачности биологических жидкостей показано, что результаты работы могут быть использованы в смежных областях науки и техники для решения самых разнообразных задач контроля физико-химических параметров.

При этом измерительные средства могут быть использованы в составе автоматизированных систем контроля, включающих специализированные устройства стыковки с вычислительной техникой. Такое объединение преимуществ волоконно-оптических преобразователей с мощностью вычислительных комплексов является наиболее перспективным направлением рязвития волоконно-оптических средств технологического контроля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Задачи контроля параметров агрессивных и взрывоопасных технологических растворов в химическом производстве могут быть эффективно решены с помощью волоконно-оптических методов технологического контроля, в частности для определения химического состава многокомпонентных растворов наиболее целесообразно использовать спектрофотометрические и рефрактометрические методы.

2. Показано, что все амплитудные волоконно-оптические первичные преобразователи могут быть разделены на три группы в зависимости от характера взаимодействия проходящего излучения со средой, т.е. от вида нерегулярного световода, лежащего в основе первичного преобразователя: на основе изогнутого световода, на основе поверхностно-нерегулярного световода, на основе световода с разрывом.

Предложенная классификация позволяет легко ориентироваться во всем многообразии волоконно-оптических преобразователей, предоставляет научнообоснованный подход к выбору конструкций первичных преобразователей, оптимально соответствующих решению поставленных задач технологического контроля.

3. Экспериментально исследованы первичные преобразователи на основе изогнутых световодов. Показано, что многослойная струтура световодов оказывет существенное влияние на вид зависимости коэффициента пропускания от радиуса изгиба световода. Предложен подход к рассмотрению прохождения светового потока по изогнотуму многослойному световоду, заключающийся в анализе парциальных потоков каждого слоя. На основании предложенного подхода получены аналитические зависимости, описывающие рас-

ространение светового потока по изогнутому многослойному све-оводу.

4. Проведен теоретический анализ первичных преобразовате-ей на основе поверхностно-нерегулярных световодов. Показано, то положение и ширина рабочего диапазона волоконно-птического рефрактометра определяются показателем преломления дайной нерегулярного участка световода. Получено аналитическое ыражение, описывающее зависимость коэффициента пропускания т параметров поверхностно-нерегулярного участка, справедливость оторого подтверждается результатами проведенных эксперимен-альных исследований опытных моделей волоконно-оптических ефрактометров.

5. На основании проведенных исследований разработан ме-од и получены инженерные соотношения для расчета и оптимиза-ии конструкций первичных преобразователей для контроля пара-[етров технологических растворов.

6. Разработаны конструкции и внедрены приборы для изме-ения влажности водно-изопропанольных растворов органических олей, турбидиметр для производства УДА, рефрактометр для изме-ения концентрации технологических растворов, уровнемер для роизводства нитроэфиров.

Приведен анализ собственной погрешности приборов, рас-мотрены факторы, влияющие на итоговую погрешность измери-ельных средств.

Представлены результаты расчета погрешности приборов с спользованием ЭВМ, подтверждающие, что итоговая погрешность е превышает 1% по абсолютному значению, что в большинстве лучаев соответствует требованиям технологических процессов. По-азано, что разработанные волоконно-оптические средства могут ыть использованы для решения задач контроля параметров техно-огических растворов в химических производствах.

7. Разработаны конструкции волоконно-оптического расхо-омера, датчика микроперемещений, прибора для измерения про-рачности биологических жидкостей, показавшие возможность ис-ользования результатов диссертационной работы в смежных об-астях науки и техники. На примере данных разработок продемон-грировано, что наиболее перспективным направлением развития олоконно-оптических средств является объединение преимуществ олоконно-оптических преобразователей с мощностью вычисли-ельных комплексов и создание на их базе автоматизированных си-тем технологического контроля.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Ломакин Г.С., Чнгорко А.Б., Фоменко Е.А., Блинов A.A., ¡лияние параметров многомодовых поверхностно-нерегулярных

световодов ни характеристики волоконно-оптических рефрактометров. // Оптико-механическая промышленность. 1989, N 10, с.59-60.

2. Чигорко А.Б.. Ломакин Г.С., Блинов A.A. Волоконно-оптический рефрактометр на изогнутых световодах // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. 7 Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. -М.-.ВНИИОФИ. 1988, с.273.

3. Чигорко А.Б., Ломакин Г.С. Волоконно-оптический рефрактометр для оперативного измерения показателя преломления жидкостей // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. 8 Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. -М.:ВНИИОФИ, 1990, с.246.

4. Ломакин Г.С. Конструктивные особенности волоконно-оптических рефрактометров // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. 8 Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. -М.:ВНИИОФИ, 1990, с.215.

5. Кондратьев Ю.А., Куркин В.П., Блинов A.A., Ломакин Г.С., Шолкина С.А., Чижикова М.В. Разработка волоконно-оптического рефрактометра для оперативного измерения показателя преломления жидкостей // Волоконная оптика. Сборник тезисов докладов Всесоюзной конференции. -М. 1990, с.211.

6. Чигорко А.Б., Ломакин Г.С., Мокрецова С.Н., Блинов A.A. Волоконно-оптический датчик микроперемещний. // Волоконная оптика. Сборник тезисов докладов Всесоюзной конференции. -М. 1990, с.214.

7. Ломакин Г.С. Волоконно-оптический измеритель влажности. // Волоконная оптика. Сборник тезисов докладов Всесоюзной конференции. -М. 1990, с.215.

8. Огиренко А.П., Чигорко А.Б., Ломакин Г.С. Светопрово-дящие ранорасширители для полостных операций. // Волоконная оптика. Сборник тезисов докладов Всесоюзной конференции. -М. 1990, с.217.

9. Климкин В.Ф., Ломакин Г.С., Фрумин Л.Л. Автоматизированная система обработки результатов оптических измерений на базе микро-ЭВМ "Электроника-60". // Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности. III Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. -Кпев:Наукова Думка, 1984, с.211-212.

10. Климкин В.Ф., Ломакин Г.С. Установка для оптических исследований электрического разряда в жидкостях в области микронных межэлектродных расстояний. // Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности. III Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. -Киев: Наукова Думка, 1984, с.186-187.

11. Климкин В.Ф., Ломакин Г.С. О пространственном разрешении и точности интерферометрии фазовых микрообъектов. //

Журнал прикладной механики и технической физики. 1985, N 2(150), с.40-45.

12. Чигорко А.Б., Ломакин Г.С., Мокрецова С.Н., Чемерилов В.В., Аполонская Г.Т. Реализация математических операций с помощью волоконных оптико-механических систем. // Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе. Сборник тезисов докладов 5 Всесоюзного совещания. -Барнаул, 1990, с. 160.

13. Чигорко А.Б., Дзеранов Н.К., Шойхет Я.Н., Ломакин Г.С., Устинов Г.Г., Чемерилов В.В. Сканирующий волоконно-оптический эндоскоп для контактного осмотра внутренней поверхности органов. // Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе. Сборник тезисов докладов 5 Всесоюзного совещания. -Барнаул, 1990, с. 162.

14. Коновалова И.Ю., Ломакин Г.С. Разработка и исследование волоконно-оптического датчика расхода жидкости. // Научно-техническое творчество студентов. Сборник тезисов докладов 52-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета. -Барнаул, 1994, с.92.

15. Галанина Л.Т., Ломакин Г.С. Теоретическое исследование и разработка компьютерной модели волоконно-оптического датчика расхода жидкости. И Научно-техническое творчество студентов. Сборник тезисов докладов 52-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета. -Барнаул, 1994, с.95.

16. Мещеряков Р., Ломакин Г.С. Комплекс учебных программ по курсу "Обработка экспериментальных данных. Введение в теорию ошибок". // Научно-техническое творчество студентов. Сборник тезисов докладов 52-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета. -Барнаул, 1994, с. 100.

17. Ломакин Г.С., Ворожцов Б.И. Классификация волоконно-оптических первичных преобразователей. // Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов. Сборник докладов III Международной конференции. -Барнаул, 1994, с.74.

18. Ломакин Г.С. Волоконно-оптический расходомер. // Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов. Сборник докладов III Международной конференции. -Барнаул, 1994, с.76.

19.Ломакин Г.С. Перспективы совершенствования волоконно-оптических средств технологического контроля. // Научно-техническое творчество аспирантов и профессорско-преподавательского состава. Тезисы докладов III юбилейной научно-практической конференции. -Бийск, 1995, с.44.

20. A.C. N1471321 от 27.07.87. Искробезопасное разрядное устройство. Патлах АЛ., Чигорко А.Б., Ломакин Г.С.

21. A.C. N1495002 от 27.07.87. Устройство для оперативного контроля размеров тел вращения. Чигорко А.Б., Андрианов В.Ф., Патлах A.JI., Ломакин Г.С.

22. Патент N2024220 от 30.11.94. Разрядное индикаторное устройство. Раско С.Л., Чигорко / ^ " ^ ^