Многоканальный дискретный преобразователь уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Жеглов, Максим Александрович

• Жеглов, Максим Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жеглов, Максим Александрович

Введение.

1. Аналитический обзор методов и средств измерения уровня жидких сред.

1.1 Классификация преобразователей уровня жидкости.

1.2 Емкостные преобразователи уровня жидкости.

1.3 Индуктивные преобразователи уровня жидкости.

1.4 Магнитострикционные преобразователи уровня жидкости.

1.5 Ультразвуковые преобразователи уровня жидкости.

1.6 Оптические преобразователи уровня жидкости.

1.7 Постановка частных задач исследования.

Выводы.

2. Разработка функциональной схемы и математической модели многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами.

2.1 Преобразователь уровня жидкости на основе волоконного световода» с последовательными изгибами.

2.2 Волоконный световод с последовательными изгибами.

2.2.1 Разработка математической модели преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами.;.

2.2.2 Исследование характеристик волоконного световода с последовательными изгибами.

2.2.3 Линеаризация характеристики волоконного световода с последовательными изгибами.

2.2.4 Оптимизация характеристик волоконного световода с последовательными изгибами.

2.3 Разработка электронного блока.

2.4 Математическая модель преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами.

2.5 Экспериментальное исследование преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами.

2.5.1 Разработка макетов преобразователей.

2.5.2 Исследование динамических характеристик преобразователя уровня жидкости.

2.5.3 Исследование зависимости выходного сигнала преобразователя уровня жидкости от показателя преломления исследуемой среды.

2.5.4 Характеристики преобразователя уровня жидкости с тремя изгибами волоконного световода.

Выводы.

3. Анализ погрешностей преобразователя уровня жидкости на основе световода с последовательными изгибами.

3.1 Источники погрешностей преобразователя уровня жидкости.

3.2 Разработка математической модели для анализа температурной погрешности преобразователя уровня жидкости.

3.2.1 Оценка влияния температуры на преобразователь уровня жидкости с одним изгибом волоконного световода.

3.2.2 Оценка влияния температуры на преобразователь уровня жидкости с тремя изгибами волоконного световода.

3.3. Разработка математической модели для анализа влияния давления на преобразователь уровня жидкости.

3.4 Расчет погрешностей устройства преобразования.

3.5 Расчет погрешностей, возникающих при изготовлении световода.

Выводы.

4. Разработка методики расчета многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами.

4.1 Методика проектирования многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами.

4.2 Программное обеспечение для моделирования характеристик преобразователя уровня жидкости с несколькими изгибами волоконного световода.

4.3 Разработка дискретного преобразователя уровня для определения уровня жидкости в 9 точках.

4 .4 Разработка многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости для определения уровня спирта в цистерне.

4.5 Разработка резервированного многоканального дискретного преобразователя уровня керосина для тарировки, заправки и опорожнении бака.

Выводы.

Основные результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоканальный дискретный преобразователь уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами»

Актуальность работы. В настоящее время для тарировки баков ракетоносителей, заправки баков ракетным топливом и определения уровня топлива в полете на ракетоносителях используются различные виды преобразователей уровня жидкости (ПУЖ): для тарировки баков используется дискретный контактный ПУЖ; для заправки ракетоносителя топливом - индуктивный ПУЖ, который определяет уровень жидкости в верхней части бака; емкостной дискретный ПУЖ предназначен для определения уровня топлива в полете.

Применение унифицированного ПУЖ для этих задач затруднено, поскольку требования различны. Так, например, дискретный контактный ПУЖ нельзя использовать с горючими и взрывоопасными жидкостями. Для индуктивного ПУЖ обязательно наличие поплавка, а это, в свою очередь, накладывает специфические требования на сферу его применения. Характеристики емкостных ПУЖ сильно зависят от условий окружающей среды и параметров кабельной сети.

Поэтому разработка унифицированного ПУЖ, способного заменить вышеуказанные преобразователи и пригодного для использования при тарировке бака, заправке ракетоносителя и определении уровня топлива в полете, является актуальной задачей.

Цель работы состоит в разработке дискретного ПУЖ на основе модифицированных волоконных световодов, не имеющего подвижных частей, способного работать в пожаро- и взрывоопасных средах, в условиях электромагнитных помех.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие частные задачи исследования: разработать структурную и функциональную схему преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами (далее преобразователя); разработать математическую модель преобразователя; исследовать влияние изменения параметров преобразователя на его характеристики; провести анализ влияния внешних возмущающих воздействий на преобразователь; разработать методику расчета параметров преобразователя; провести экспериментальные исследования характеристик преобразователя.

Методы исследования. При выполнении работы применялись аналитические методы, которые основывались на теории распространения света по волоконным световодам. Численные методы использовались при анализе характеристик, определении области допустимых параметров и расчете погрешностей преобразователя. Экспериментальные методы исследования применялись для подтверждения адекватности' разработанной математической модели.

Научная новизна. Разработана структурная и функциональная схема преобразователя, обеспечивающего определение наличия жидкости в нескольких точках с помощью одного волоконного световода и позволяющего осуществлять дискретное измерение уровня жидкости на основе волоконных световодов с последовательными изгибами. Разработана математическая модель преобразователя, в которой учтено взаимодействие оптического излучения, распространяющегося в световоде, с исследуемой средой, окружающей каждый изгиб световода, с помощью коэффициентов взаимодействия световод - внешняя среда. Исследован эффект каплеобразования, • вызывающий изменение выходного сигнала при извлечении изгибов световода из жидкости. Исследованы основная и дополнительная погрешности преобразователя, определены условия, обеспечивающие его функционирование. Предложен способ компенсации влияния внешних возмущающих воздействий путем определения текущего показателя преломления жидкости и газа и корректировки коэффициентов взаимодействия световод - внешняя среда.

Практическая ценность. Разработан алгоритм оптимизации параметров преобразователя, позволяющий обеспечить максимальное изменение выходного сигнала преобразователя, вызванное полным погружением последнего изгиба световода. Получено выражение, позволяющее определить радиусы изгибов световода для обеспечения одинаковой чувствительности преобразователя во всем диапазоне измерения. Определен коэффициент каплеобразования для воды при различной ориентации плоскости изгиба световода преобразователя. Разработана методика расчета параметров многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами. Проведено экспериментальное исследование характеристик преобразователя уровня жидкости с тремя изгибами волоконного световода.

Результаты работы использованы в опытно-конструкторских работах ФГУП ГосНИИ Приборостроения. Макеты преобразователей использованы при разработке стенда, имитирующего процесс заправки топливных баков окислителя и горючего ракетоносителей.

Автор защищает:

- структурную и функциональную схему многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконных световодов с последовательными изгибами, каждый из которых обспечивает определение наличия жидкости в нескольких точках;

- математическую модель преобразователя, в которой учтено взаимодействие оптического излучения, распространяющегося в световоде, с исследуемой средой, окружающей каждый изгиб световода, и влияние эффекта каплеобразования на выходной сигнал преобразователя;

- алгоритм оптимизации параметров преобразователя, позволяющий обеспечить максимальное изменение выходного сигнала преобразователя, вызванное полным погружением последнего изгиба световода;

- способ компенсации влияния внешних возмущающих воздействий путем определения текущего показателя преломления жидкости и газа и корректировки коэффициентов взаимодействия световод - внешняя среда в математической модели;

- методику расчета параметров многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, позволяющую получить структурную схему преобразователя, определить конструктивные и оптические параметры световодов, определить коэффициенты передачи по каждому из каналов измерения и константы, необходимые для написания программы микроконтроллера.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

4-ой международной конференции "Авиация и космонавтика - 2005", 10-13 октября 2005 г , г. Москва;

5-ой международной конференции "Авиация и космонавтика - 2006", 23-26 октября 2006 г., г. Москва;

Российско-Китайской международной конференции по проектированию Аэрокосмической техники, г. Москва, 2007 г.;

7-ой международной конференция "Авиация и космонавтика - 2008", 20-22 октября 2008 г., г. Москва;

Российской конференции с международным участием "Технические и программные средства систем управления", 10-12 ноября 2008 г., г. Москва.

XVIII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 1825 сентября 2009 г., г. Алушта;

8-ой международной конференция "Авиация и космонавтика - 2009", 26-29 октября 2009 г., г Москва.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе две статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и четырех глав. Изложена на 159 страницах, содержит 74 рисунка, список использованных источников - 54 наименования и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Жеглов, Максим Александрович

Основные результаты работы

В результате выполнения данной работы были получены следующие научные и практические результаты.

Разработана структурная и функциональная схема многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, обеспечивающего определение наличия жидкости в нескольких точках с помощью одного волоконного световода и позволяющего осуществлять дискретное измерение уровня жидкости на основе волоконных световодов с последовательными изгибами.

Разработана математическая модель дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, в которой учтено взаимодействие оптического излучения, распространяющегося в световоде, с исследуемой средой, окружающей каждый изгиб световода, с помощью коэффициентов взаимодействия световод - внешняя среда. Учтено влияние эффекта каплеобразования, возникающего при извлечении изгибов световода из жидкости, на характеристики преобразователя уровня жидкости путем введения коэффициента каплеобразования в математическую модель.

Разработан алгоритм оптимизации параметров преобразователя, позволяющий обеспечить максимальное изменение выходного сигнала преобразователя, вызванное полным погружением последнего изгиба световода. Получено выражение, позволяющее определить радиусы изгибов световода для обеспечения одинаковой чувствительности преобразователя во всем диапазоне измерения. Совместное выполнение данных требований позволяет осуществить определение 50.60 уровней жидкости с помощью одного волоконного световода при нормальных условиях эксплуатации.

Показано, что основная погрешность преобразователя уровня жидкости определяется эффектом каплеобразования (от -2,2 до 8,3 % от выходного сигнала, в зависимости от ориентации преобразователя), погрешностью канала определения мощности источника излучения (0,5 %) и погрешностью преобразования электронного блока обработки информации (0,2 %).

Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние внешних возмущающих воздействий на выходной сигнал. В результате исследований установлено, что влияние изменения температуры (в диапазоне от -70 до +80 °С) и давления (в диапазоне от 1-105 до 30-Ю5 Па) на волоконно-оптический световод вызывает изменение выходного сигнала менее, чем на 0,1%. Изменение температуры жидкости в диапазоне от -70 до +80 °С вызывает изменение выходного сигнала полностью погруженного преобразователя с коэффициентом от -0,42 %/°с (для 3 контролируемых точек) до -0,79 °7%с (при 20 контролируемых точках) относительно выходного сигнала при +20 °С. Влияние давления на параметры жидкой и газовой сред в резервуаре в диапазоне от 1-Ю5 до 30-Ю5 Па вызывает изменение выходного сигнала преобразователя на -1,07 % - для сухого и -3,65 % - для полностью погруженного преобразователя (при 10 контролируемых точках) и возрастает с увеличением количества изгибов.

Предложен способ компенсации влияния внешних возмущающих воздействий путем определения текущего показателя преломления жидкости и газа и корректировки коэффициентов взаимодействия световод - внешняя среда в математической модели. Применение данного способа позволяет уменьшить температурную погрешность преобразователя с 37,5% до 1,1% при температуре -70 °С.

Проведено экспериментальное исследование характеристик преобразователя уровня жидкости с тремя изгибами волоконного световода. Отклонение экспериментально полученной зависимости выходного сигнала преобразователя уровня жидкости от расчетной составляет около 4,6%. Проведены экспериментальные исследования влияния температуры на измерительный преобразователь с тремя изгибами световода. Отклонение экспериментально полученной зависимости выходного сигнала преобразователя уровня жидкости от расчетной составляет около 18% в диапазоне измерения -57 °С до +80 °С. Исследован эффект каплеобразования, возникающий при стекании жидкости, и определено время срабатывания преобразователя. Определен коэффициент каплеобразования для воды при различных углах между плоскостью изгиба световода и вектором силы тяжести.

Разработана методика расчета параметров многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, которая, на основании требуемой точности определения уровня жидкости, информации о параметрах жидкости и газа, величине внешних возмущающих воздействий, погрешности преобразования электронного блока, позволяет получить структурную схему преобразователя и определить конструктивные и оптические параметры световодов, определить коэффициенты передачи по каждому из каналов измерения и константы, необходимые для написания программы микроконтроллера. Приведены примеры расчета преобразователей с помощью разработанной методики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жеглов, Максим Александрович, 2009 год

1. Каталог продукции фирмы Прософт. www.prosoft.ni.

2. Бобровиков Г.Н., Котков А.Г. Методы измерения уровня -М., Машиностроение, 1977. -168 с.

3. Шевяков А.А. Системы автоматического управления авиационными воздушно-реактивными силовыми установками: Учебник для вузов -М., Машиностроение, 1992. -432 с.

4. Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей 2-е издание переработанное и дополненное -М., Машиностроение, 1989. -196 с.

5. Горячкин А.А. и др. Регуляторы расхода для топливных систем двигателей летательных аппаратов / Горячкин А.А., Жуковский А.Е., Игначков С.М., Шорин В.П.; под ред. В.П.Шорина.

6. М.Машиностроение, 2000.- 208 с.

7. Лещинер Л.Б. и др. Проектирование топливных систем самолетов / Лещинер Л.Б., Ульянов И.Е. Тверецкий В.А. 2-е издание переработанное и дополненное. -М., Машиностроение, 1992. -320 с.

8. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы. В 2 т. Т.1. Теория измерительных приборов, измерительные преобразователи: Учебник для втузов -М., Издательство стандартов, 1986. -390 с.

9. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы. В 2 т. Т.2. Методы измерений, устройство и проектирование: Учебник для втузов -М., Издательство стандартов, 1986. -224 с.

10. Харт X. Введение в измирительную технику. Перевод с немецкого. -М., Мир, 1999. -391 с.

11. Каталог изделий ОАО Альбатрос http://www.albatros.ru

12. Каталог изделий ИПП Курс http://www.kurss.ru

13. Каталог изделий НПО Валентина http://npovalentina.ru/catalog/dev/3864/

14. Каталог изделий http://kravitnik.narod.ru/level/levelll.html

15. Ацтоковский В.А. Емкостные преобразователи перемещения M-JI., Энергия, 1966. -278 с.

16. Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества -М., Машиностроение, 1982. -94 с.

17. Фрайден Дж. Современные датчики: Справочник -М., Энергоатомиздат, 1981. -88 с.

18. Струнский М.Г., Горбов М.М. Бесконтактные емкостные микромеры —Л., Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986. -136 с.

19. Евтихеев Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учебное пособие для вузов -М., Энергоатомиздат, 1990. -352 с.

20. Куликовский Л.Ф. Индуктивные измерители перемещений М-Л., Госэнергоиздат, 1961. -279 с.

21. Антонов В.Г. и др. Средства измерений магнитных параметров материалов / Антонов В.Г., Петров A.M., Щелкин А.П. -М., Энергоатомиздат, 1986. -216 с.

22. Зимин Е.Ф., Кочанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах -М., Энергоатомиздат, 1985. -256 с.22. http://www.hosberg.sensor.ru/articles/299/element1130.html23. http://www.albatros.ru/ViewGoodl .html

23. Каталог изделий фирмы Чип иДип www.chip-dip.ru25. http://www.hosberg.sensor.ru/articles/299/element1035.html

24. Бусурин В.И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы; вопросы расчета и применения -М., Энергоатомиздат. 1990. -256 с.

25. Окоси Т. И и др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с япон. / Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Бисихара X., Ккма К., Хататэ К. -Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. -256с.: ил.

26. Бабченко A.M. и др. Оптоэлектронные преобразователи уровня жидкости. /Бабченко A.M., Бусурин В.И., Носов Ю.Р.// Измерения контроль автоматизация, 2(62), 1987. -с.3-13.

27. Свирид А.А. Волоконные датчики для измерения уровня жидких сред // Известия вузов MB и ССО СССР Сер. Радиоэлектроника. -1983.—Т. 26, Т. 26, №5. -с.91—92.

28. Маковец Г.К. и др.Патент 2014572. Дискретный оптический уровнемер./ Маковец Г.К., Покровский В.Р., Рождественский Ю.В. №5035037/10; Дата подачи заявки 20.12.1991; Дата публикации 15.06.1994.

29. Braumbrik R.J., Alexander J. Fiber optic case process variable // Control Engineeriner. -1980. -Vol. 27, №3. -P. 45-47.

30. Григорьев B.A. и др. Патент 2327959. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. /Григорьев В.А., Пименов М.Г., Сучкова Е.В. Заявка 2006127430/28. Дата подачи заявки 31.07.2006. Дата публикации заявки 10.02.2008.

31. Серебряков Д.И. и др. Патент 2297602. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. /Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И. Заявка 2005141285/28. Дата подачи заявки 28.12.2005. Дата публикации заявки 20.04.2007.

32. Пергамент A.M. и др. Патент 15224. Сигнализатор уровня жидкости. / Пергамент A.M., Грузевич Ю.К., Тележников В.Н., Гусейнов Ю.Г. Коган Л.М. Заявка 2000102048/20. Дата подачи заявки 02.02.2000. Дата публикации заявки 27.09.2000.

33. Волохов В.Н. и др. Волоконно-оптический датчик уровня жидкости / Волохов В.Н., Жаботнский М.Е., Моршнев С.К. //Приборы и техника эксперимента.-1981. -№6. -с. 197.

34. Бусурин В.И., Жеглов М.А. Волоконно-оптическая система контроля уровня топлива // 4-я международная конференция "Авиация и космонавтика 2005", 10-13 октября 2005 года. Москва. Тезисы докладов.-М.: Изд-во МАИ, 2005, с. 123.

35. Бусурин В.И., Жеглов М.А. Волоконно-оптическая система контроля уровня топлива. // 5-я международная конференция "Авиация и космонавтика 2006", 23-26 октября 2006 года. Москва. Тезисы докладов.-М.: Изд-во МАИ, 2006, с. 267-268.

36. Дмитриев A.JI. Оптические системы передачи информации / Учебное пособие. СПб: СПбГУИТМО, 2007. - 96 с.

37. Моршнев С. К., Францессон А. В. Пропускание светового излучения крутыми изгибами волоконных световодов // Квантовая электроника. -1982. -№6. -с.284.

38. Патлах А.Л., Семенов А.С. Светопропуекание изогнутых многомодовых оптических волокон. // Квантовая электроника, 10, №4, 1983. -с.868-869.

39. Патлах А.Л. Амплитудные преобразователи физических величин. //Измерения, контроль, автоматизация, 2(62), 1987. -с.14-31.

40. Дональд Дж. Стерлинг. Волоконная оптика: Техническое руководство. -М. Лори, 2001.-288с.

41. Бусурин В.И. и др. Анализ влияния температуры на волоконно-оптический датчик уровня жидких сред с несколькими последовательными изгибами волоконно-оптического световода /

42. Бусурин В.И., Жеглов М.А., Зэя М. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, №6, 2008, с. 38-40.

43. Леко В.К. Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла -Л., Наука, 1985. -166 с.

44. Мазурин О.В. Тотеш А.С.Тепловое расширение стекла // -Л., Наука, 1969.-216 с.

45. Панов В.А. и др. Справочник конструктора оптико-механичсских приборов. 3-е издание переработанное и дополненное. / Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др. -Л., Машиностроение, 1980. -742 с.

46. Бабичев А.П. и др. Физические величины: Справочник / Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. и др. под. Ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. -М., Энергоатомиздат, 1991. —1232 с.

47. Ишанин Г.Г. и др. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. /Ишанин Г.Г., Панков И.Д., Андреев А.Л., Полыциков Г.В. -СПб.: Политехника, -1991 -240с. ил.

48. Бусурин В.И. Микроэлектронные устройства САУ: Учебное пособие по курсу "Электроника" -М.: Изд-во МАИ, 1996. -72 с.

49. Каталог продукции ЗАО Телаз www.telaz.ru

50. Операционные усилители и компараторы. Справочник. /Под редакцией Граблевская Е.Е. -М.: Издательский дом "Додека-ХХГ', 2002. -560 с.