Информационно-измерительная система атмосферного мониторинга на базе акустооптического газоанализатора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Мухамадиев, Айдар Асхатович

• Мухамадиев, Айдар Асхатович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мухамадиев, Айдар Асхатович

ВВЕДЕНИЕ.

1 НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ.

1.1 Сопоставительная оценка существующих газоанализаторов.

1.1.1 Механические газоанализаторы.

1.1.2 Тепловые газоанализаторы.

1.1.3 Магнитные газоанализаторы.

1.1.4 Электрические газоанализаторы.

1.1.5 Хроматографические газоанализаторы.

1.1.6 Масс - спектрометрические газоанализаторы.

1.1.7 Оптические газоанализаторы.

1.2 Физическо - химические основы построения акустооптических газоанализаторов.

1.2.1 Физические основы акустооптического эффекта.

1.2.2 Физико - химические основы абсорбционного эффекта.

1.3 Классификация принципов построения акустооптических газоанализаторов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА (АОГА).

2.1 Структурная и принципиальная схемы АОГА.

2.2 Математическая модель АОГА при распространении

УЗ-волны в АОПФ.

2.3 Сравнительный анализ расчетных результатов и натурного эксперимента.

2.4 Статистическая характеристика АОГА.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТООПТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА.

3.1 Критерии сравнения спектральных приборов.

3.2 Основные задачи и характеристики акустооптического газоанализатора.

3.3 Основная характеристика газоанализатора - аппаратная функция.

3.4 Построение математической модели аппаратной функции прибора.

3.5 Максимально допустимая скорость спектра.

3.6 Исследование зависимости разрешающей способности от быстродействия прибора.

3.7 Исследование методов реализации спектрального отклика с малым уровнем боковых лепестков.

3.7.1 Автоколлимационная схема включения АО ячейки.

3.7.2 Использование планарного и объемного механизмов фильтрации в одном устройстве.

3.7.3 Методы реализации взвешивания.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.

4 АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА (АОГА).

4.1 Точность и методы ее нормирования.

4.2 Влияние систематических и случайных ошибок.

4.3 Классификация погрешностей АОГА.

4.4 Инструментальные источники основной погрешности АОГА.

4.4 Эксплуатационные источники основной погрешности АОГА.

4.5 Внутренние источники дополнительной погрешности.

4.5.1 Нестабильность частоты УЗ-сигнала.

4.5.2 Нестабильность частоты лазерного излучения.

4.6 Внешние источники дополнительной погрешности.

4.6.1 Погрешность нестабильности скорости распространения УЗ-волны в среде, вызванная изменением температуры окружающей среды.

4.6.2 Погрешность фотоприемника, вызванная изменением температуры окружающей среды.

4.6.3 Влияние воздушного тракта и условий окружающей среды.

4.7 Рекомендации по проектированию АОГА.

4.7.1 Конструктивные особенности построения АОГА.

4.7.2 Методика проектирования акустооптического модулятора.

4.7.3 Расчет оптимальных конструктивных параметров акустооптических преобразователей.

4.7.4 Акустооптические материалы.

4.7.4 Пьезоэлектрический преобразователь.

4.7.5 Акустический поглотитель.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система атмосферного мониторинга на базе акустооптического газоанализатора»

Актуальность. В связи с возрастающим воздействием человеческой деятельности на окружающую среду важнейшей общечеловеческой проблемой оказалась охрана окружающей среды, сохранения в допустимых пределах уровня загрязнения атмосферы. Природная среда, находящаяся под постоянным антропогенным воздействием, постепенно утрачивает уникальную способность к самоочищению, что может привести в конечном итоге к необратимым процессам, грозящим гибелью человечества. Таким образом, индустриальное воздействие на природную среду настолько серьезно (рисунок 1), что требует постоянного контроля экологической обстановки для своевременного принятия неотложных мер по сохранению в допустимых пределах уровня загрязнения атмосферы. В последнее десятилетие задача эффективного контроля и защиты воздушного бассейна от промышленных загрязнений приобретает еще большую актуальность, вследствие чего Правительство РФ приняло постановление № 1229 от 24.11.93 г. "О создании единой государственной системы экологического мониторинга".

20,5-S X ч а о

-е о о н й ю о

ЕС а> a о а ю 3 т

19,5

18,5

17,5

1999

2004

2000 2001 2002 2003

Время выбросов, годы Рисунок 1 - Количество выброшенных загрязняющих веществ в атмосферу за 1999 - 2004 гг. (по Российской Федерации)

Существенной сложностью при анализе качества воздуха и выработке действенных мероприятий по поддержанию чистоты воздушного бассейна является фиксация и оперативная оценка как временных, так и пространственных колебаний концентраций отдельных ингредиентов. Временной фактор может быть обеспечен автоматизацией и непрерывностью процесса измерения. Пространственная плотность измерений в каждом конкретном случае выбирается на основе компромисса между требуемой точностью и экономическими возможностями[45,52].

Решение проблемы охраны окружающей среды как в отдельных регионах, так и в масштабах всей планеты невозможно без создания информационно -измерительных систем (ИИС) атмосферного мониторинга. Существующие в настоящее время ИИС атмосферного мониторинга не в полной мере отвечают предъявляемым к ним требованиям в отношении большого динамического диапазона, широкой номенклатуры измеряемых газов, высокой точности измерения, стабильности характеристик, высокой скорости измерения, возможности дистанционного измерения, помехоустойчивости, устойчивости к изменению параметров окружающей среды (температуры, влажности, вибрации и т.д.), высокой чувствительности, универсальности, селективности, простоте юстировки, высокой надежности, простоте конструкции и т.д.

Таким образом, задача совершенствования существующих и создания новых методов и средств атмосферного мониторинга является актуальной и требует безотлагательного решения.

Требованиям, предъявляемым к ИИС атмосферного мониторинга, удовлетворяют ИИС атмосферного мониторинга на основе акустооптического газоанализатора. Акустооптические газоанализаторы лишены многих недостатков, присущих другим газоанализаторам.

Вопросам теории и расчета акустооптических элементов, а также конструированием отдельных акустооптических газоанализаторов, посвящены труды отечественных и зарубежных ученых Балакший В.И., Волошинова В.Б.,

Гасанова А.Р., Клудзина В.В., Кулакова С.В., Магдича JI.H., Парыгина В.Н., Шелопута Д.В., Chang I.C., Damon R.W., Dixon R.W., Feigolson R.S., Gordon E.I., Harris S.E., Korpel A., Nieh S.T., Niizeki N., Uchida N., Yano Т., Young E.H., Yao S-K. и других.

Однако в известных работах отсутствуют сведения о принципах построения акустооптических газоанализаторов (АОГА). Отсутствуют сведения о разработке математических моделей акустооптических газоанализаторов и их основных характеристиках. Нет сведений об исследовании технических возможностей АОГА, их эксплуатационно-технических характеристиках, методике их проектирования и практическом использовании.

Это сдерживает создание новых АОГА, обладающих улучшенными характеристиками, и их использование в ИИС атмосферного мониторинга.

Вот почему необходимо проведение исследований по моделированию акустооптических газоанализаторов и исследованию их основных характеристик с целью создания научной базы для проектирования и разработки новых акустооптических газоанализаторов, обладающих улучшенными показателями качества. Это является актуальной научно-технической задачей, так как применение АОГА позволяет улучшить функциональные характеристики ИИС атмосферного мониторинга.

Основание для выполнения работы. Исследования в рамках диссертационной работы проводились в соответствии с:

1. Планами НИР Уфимского государственного авиационного технического университета и Уфимской государственной академии экономики и сервиса по теме: «Исследование возможности построения датчиков физических величин с использованием акустооптических эффектов» (единый заказ - наряд по теме АП - ИТ - 15 - 00 - 03/Б, выполненной по заданию Министерства образования Российской Федерации, 2003-2005гг.).

2. Грантом Министерства образования Российской Федерации для f поддержки НИР аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении

Федерального агентства по образованию (основание: сводная ведомость проектов - победителей конкурса, утвержденная Федеральным агентством по образованию, 2004 г.)[Приложение 1].

3. Проектом «UM JEP - 26108 - 2005 Network for universities and enterprises cooperation (NEUC)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС - ТАСИС» (2006г.).

Цель диссертации. Целью диссертационной работы является создание и исследование акустооптического газоанализатора с улучшенными характеристиками для использования в информационно - измерительных системах атмосферного мониторинга.

Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:

1.Провести сопоставительный анализ существующих технических решений, используемых для построения газоанализаторов. Выявить возможности повышения эффективности существующих ИИС атмосферного мониторинга.

2.Разработать принципы построения АОГА и провести анализ их использования в ИИС атмосферного мониторинга.

3.Разработать математическую модель АОГА, установить с помощью математического моделирования его технические возможности.

Выявить и исследовать характеристики АОГА.

4.Исследовать источники погрешностей АОГА.

5.Разработать рекомендации по проектированию АОГА, включающих методику проектирования акустооптического перестраиваемого фильтра (АОПФ), рациональный выбор материалов АОПФ, пьезоэлектрического преобразователя, акустического поглотителя.

6.Разработать конструкцию АОГА и провести его экспериментальные исследования.

Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением общей теории вероятности и случайных процессов, теории статистической оптики, теории систем и преобразований, теории электромагнитного поля, принципы модульного и объектно-ориентированного программирования, использовании уравнений упругих волн в средах и других. Широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Maple, SigmaPlot, Delphi и др.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Машины и аппараты бытового назначения» Уфимской государственной академии экономики и сервиса.

На защиту выносятся:

1. Систематизация принципов построения акустооптических газоанализаторов.

2. Математическая модель АОГА описывающая основные закономерности процессов функционирования газоанализатора.

3. Результаты исследования характеристик АОГА.

4. Методика проектирования АОПФ.

5. Конструкция акустооптического газоанализатора.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

1.Систематизированы принципы построения АОГА и дана их сопоставительная оценка, позволившая улучшить характеристики газоанализатора.

2.Разработана конструкция АОГА и получена ее математическая модель в виде аналитической зависимости выходного напряжения фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и параметров элементов структуры АОГА.

3.На основании исследования основных характеристик разработаны способы улучшения эксплутационных характеристик АОГА, заключающихся в определении рациональной скорости проведения анализа и уменьшения искажений, вносимых устройством.

4.Разработана методика компьютерного расчета параметров АОГА, позволяющая повысить точность и сократить временные затраты на его проектирование.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

1. Разработаны принципы построения акустооптических газоанализаторов, реализованные при проектировании АОГА.

2. Предложена оригинальная конструкция АОГА, имеющая повышенную точность и помехоустойчивость.

3. Разработана методика расчета параметров АОПФ.

4. Проведен комплекс экспериментальных исследований по получению и обработке данных, обеспечивающих практическое использование предложенного метода расчета АОГА.

В результате исследований получены свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ ФИПС №2005611855 от 27.07.2005 года «Расчет оптимальных конструктивных и рабочих параметров акустооптических устройств» и патент на полезную модель «Газоанализатор» № 51742 от 27.02.2006 года [Приложение 2,3].

Основные результаты диссертационной работы в виде сравнительного анализа существующих газоанализаторов, принципов построения акустооптических газоанализаторов, методики инженерного расчета и характеристики погрешностей акустооптических газоанализаторов, основных характеристик акустооптических газоанализаторов внедрены на ОАО «Конструкторское бюро электроизделий XXI века» (г.Сарапул), ОАО «Ижевский радиозавод» (г.Ижевск)[Приложение 4,5].

Принципы построения и методика расчета характеристик АОГА внедрены в учебный процесс при чтении лекций по различным дисциплинам, курсовом и дипломном проектировании в Уфимской государственной академии экономики и сервиса) [Приложение 6].

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVI Всероссийской научно -технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»(г. Судак, Крым, 2004 год); Международной научно - технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах»(г.Пенза, 2004 год); Региональной научно-практической конференции молодых ученых -2004(г.Уфа, 2004 год); I - ой Международной научно - технической конференции «Инновации и перспективы сервиса»(г.Уфа, 2004 год); II - ой Международной научно - технической конференции «Инновации и перспективы сервиса»(г.Уфа, 2005 год); Российском Конгрессе по газораспределению и газопотреблению(г.Санкт - Петербург, 2006). Работа отмечена грамотой за лучшую научно - техническую разработку среди молодых специалистов [Приложение 7].

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и 3 статьи в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 166 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 11 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Мухамадиев, Айдар Асхатович

Выводы по главе IV

1. ь.;т;ено что точность определяется систематическими и случайными ом. исками измерений, причем целесообразно рассматривать отдельно с,:.-тематические ошибки, вносимые оптической частью прибора (:; .устооптическим монохроматором), и систематические ошибки, вносимые сс регистрирующей частью.

2. :; .оде исследований были рассмотрены основные источников погрешностей . ГА, такие как ослабление излучения лазера в воздушной среде, влияние ; тературы окружающей среды, влияние шумов фотоприемника, скорость лространения ультразвуковой волны и ряд других. Выявлено их влияние на j :зу.ч i/гаты измерении и выработаны рекомендации по уменьшению данных : i решностей.

3. Установлено, что основная погрешность существенно зависит от точности и совершенства технологии изготовления и конструирования оптических частей конструкции преобразователя, а также от точности сборки.

4. Разработана методика расчета и проектирования акустооптического модулятора, позволяющая значительно повысить точность информационно -измерительной системы атмосферного мониторинга. На базе данной методики разработано программное обеспечение, позволяющее найти оптимальные конструктивные и рабочие параметры таких устройств.

• ЗАКЛЮЧЕНИЕ .

В процессе выполнения исследований получены следующие основные результаты.

1. В результате комплексного анализа современных методов и средств газового анализа научно обоснована перспективность применения в информационно - измерительных системах атмосферного мониторинга акустооптического газоанализатора, что приведет к повышению эффективности существующих систем.

2. В ходе анализа существующих технических решений были систематизированы.принципы построения акустооптических газоанализаторов, позволяющие улучшить их характеристики. Предложено новое техническое решение по созданию акустооптического газоанализатора (патент на полезную модель № 51742), обладающего высокой точностью измерения концентрации газов.

3. В результате исследования физических процессов, происходящих в АОГА, была получена его математическая модель в виде аналитической зависимости выходного напряжения фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и параметров оптической системы АОГА. На основе проведенных исследований установлена

I адекватность полученной математической модели АОГА реальному объекту, при этом расхождение результатов расчета и эксперимента не превышает 16 %, что вполне допустимо.

4. В ходе компьютерного моделирования и обработки математической модели АОГА была получена серия характеристик, позволяющих установить, что наиболее важными являются аппаратная функция и быстродействие. Получено аналитическое выражение зависимости выходного сигнала фотоприемника, спектра мощности оптического сигнала на входе и аппаратной функции, показывающей, что рассматриваемое

I устройство является анализатором спектра мощности оптического излучения.

При исследовании быстродействия определено минимальное время анализа составило 5 мс, при котором разрешающая способность ухудшается не более чем на 10%. В отличие от аналогов скорость выше на 21%.

5. В результате проведенных исследований выявлены источники погрешностей акустооптического газоанализатора и разработана их классификация. Применение дистанционного измерения, позволит вынести из зоны измерения акустооптическую ячейку и расположить ее в условиях постоянного микроклимата, что приведет к снижению дополнительных погрешностей измерения.

6. Разработана методика расчета и проектирования акустооптического перестраиваемого фильтра и на ее основе реализован программный продукт для ЭВМ (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611855), позволяющий повысить точность и сократить временные затраты на проектирование АОГА в составе ИИС атмосферного мониторинга.

7.Создан опытный образец АОГА, подтвердивший возможности измерения на расстоянии до 200 метров с погрешностью не более 20 %. Погрешность проверялась на эталонном газоанализаторе марки САГА - КТ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мухамадиев, Айдар Асхатович, 2006 год

1. Аксеенко М.Д., Бараночников M.JL, Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. М., Энергоатомиздат, 1994, 208с.

2. Акустические кристаллы: Справочник / Под ред. Шаскольской М.П. М.: Наука, 1982.-498 с.

3. Ананьев Е.Г., Пожар В.Э., Пустовойт В.И. Акустооптические методы измерения спектров оптического излучения. Оптика и спектроскопия, 1987, Т. 62, N 1, с. 159165

4. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков JI.E. Физические основы акустооптики. -М.: Радио и связь, 1985. 280 с.

5. Берикашвили В.Ш., Мировицкий Д.И., Смирнов A.M., Хиврин М.В. Волоконно -оптические датчики газоанализаторы и системы контроля//Датчики и системы. -2000. - №10. -с.45-50.

6. Боков М.А., Максимов А.Н., Шумилов К.Г., Юрлов В.И. Геодезическая информационно-измерительная система на основе акустооптических датчиков // Автометрия.-1991, №5.-С. 12-17.

7. Борсак Дж.М. Фотодетекторы для акустооптических систем обработки сигналов // ТИИЭР, 1981,т. 69,№ 1.-С. 117-137.

8. Важдаев К.В. Дифракция Брэгга и ее математический анализ // Молодые ученые -новому тысячелетию: Материалы науч.-техн. конф. Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун.-т, 2000. - С. 98-102.

9. Важдаев К.В. Расчет акустооптического датчика на эффекте Брэгга // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Материалы межд. молодежной науч.-техн. конф. Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун.-т, 1999. -С. 174.

10. Волоконно оптические датчики / Под. ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - JL: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

11. Волоконно-оптические датчики Т. Окоси, М. Оцу, X. Нисихара, К. Хататэ; Под ред. Т. Окоси: Пер. с яп. Л.: Энергоатомиздат. Ленигр. отд.-ние, 1991. - 255 с.1213,14,15,16,17.18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,

12. Волошинов В.Б., Князев Г.А. Акустооптические ячейки с неодинаковой длиной взаимодействия в поперечном сечении светового луча//Журнал технической физики. 2003. - том 73. - с.118-122.

13. Волошинов В.Б., Молчанов В.Я., Бабкина Т.М. Акустооптический фильтр неполяризованного электромагнитного излучения//Журнал технической физики. -2000.-том 70.-с.93-97.

14. Вострокнутов Н.Г. Основы информационно-измерительной техники. М.: 1972. -237 с.

15. Гонда С., Сэко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах: Пер. с япон. JI.: Энергоатомиздат, 1989. - 184 с.

16. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР. М., 1976. 10 с.

17. ГОСТ8.437-81 ГСИ. Системы информационно измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения.

18. ГОСТ 8.438-81 ГСИ. Системы информационно измерительные .Поверка. Общие положения.

19. ГОСТ Р ИСО 5725-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений

20. ГОСТ 16263-70 ГСИ Метрология. Термины и определения. ГОСТ 8.401-80 Классы точности. Средства измерения.

21. ГОСТ 8.009-84 Нормируемые метрологические характеристики средств измерения

22. ГОСТ 13320-81 Газоанализаторы промышленные автоматические

23. ГОСТ 28819-90 Приборы для спектрального анализа

24. ГОСТ 27300-87 Информационно измерительные системы

25. Задорин А.С., Немченко А.С. Аппаратная функция акустооптического фильтрапри высоких скоростях перестройки. Автометрия. 1998, N 5, с.38-47

26. Задорин А.С.Модуляция света прерывистыми акустическими28