«ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ...»

Пензенский государственный университет

1

На правах рукописи

НАЗАРОВА Инна Таджиддиновна

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

Специальность 05.11.14 – Технология приборостроения

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель : доктор технических наук

, профессор Мурашкина Т.И.

Научный консультант : кандидат технических наук, доцент Бадеева Е.А.

Пенза

СОДЕРЖАНИЕ

1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

ИСКРО-ВЗРЫВО-ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД НА

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ В РАЗЛИЧНЫХ

ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ……………………………………… 1.1 Анализ известных способов и средств измерения уровня жидкостных сред…...………………………………………………………. 1.2 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических сигнализаторов уровня жидкостных сред………………….. 1.3 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических многоточечных уровнемеров жидкостных сред…………… 1.4 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических датчиков гидростатического давления……………………… Основные выводы и результаты…………………………………………..

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ,

ПРОИСХОДЯЩИХ В ОПТИЧЕСКОМ ТРАКТЕ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ

СРЕД……………………………………………………………………….. 2.1 Распределение светового потока в оптическом тракте волоконнооптической системы измерения уровня жидкостных сред……………… 2.2 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе уровня с модулирующим элементом в виде границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломления…………… 2.3 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе гидростатического давления с модулирующим элементом в виде аттенюатора…………………………………………….. Основные выводы и результаты…………………………………………..

3 РАЗРАБОТКА МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И НОВЫХ СПОСОБОВ

ИЗМЕРЕНИЯ ИСКРО-ВЗРЫВО-ПОЖАРООПАСНЫХ

ЖИДКОСТНЫХ СРЕД……………………………………………………. 3.1 Методики расчета энергетических и оптимальных конструктивных параметров оптической системы измерительных преобразователей разрабатываемых волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред …………………………………………………………… 3.1.1 Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических сигнализаторов……………………………….. 3.1.2 Расчет конструктивно-технологических параметров волоконно-оптических датчиков гидростатического давления……… 3.1.3 Энергетический расчет искро-взрыво-безопасности разрабатываемых волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред……………………………………………………….. 3.2 Особенности построения и принцип действия модернизированного многоточечного волоконно-оптического уровнемера жидкостных сред…………………………………………………………………………… 3.3 Новые способы измерения уровня искро-взрыво-пожароопасных жидкостных сред…………………………………………………………… 3.4 Особенности построения и принцип действия волоконнооптических систем измерения уровня жидкостных сред, реализующих новые способы измерения уровня жидкостных сред…………………….. Основные выводы и результаты……………………………………………

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД...………………………………………... 4.1 Особенности технологической реализации экспериментальных образцов многоточечного волоконно-оптического уровнемера…………. 4.2 Технологические способы и процедуры юстировки и настройки волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред….. 4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред….. 4.3.1 Методика и результаты экспериментальных исследований сигнализаторов, входящих в состав волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред.……………………… 4.3.2 Методика и результаты экспериментальных исследований исследования волоконно-оптических датчиков гидростатического давления, входящих в состав волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред.……………………… ПРИЛОЖЕНИЕ А Программа «Расчет конструктивных параметров оптического чувствительного элемента волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред» ……………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программа моделирования распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя микроперемещений с предельным аттенюатором……………………….. ПРИЛОЖЕНИЕ В Обоснование выбора конструктивнотехнологической компонентной базы волоконно-оптической системы ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акты внедрения результатов диссертации…………. Актуальность работы Безопасное измерение уровня жидкости в условиях потенциальной искро- взрыво- пожарной опасности является сложной технической задачей. Особенно остро эта проблема встала в свете событий в Японии, когда для предотвращения более разрушительных последствий аварии на АЭС в городе Фукусима было отключено электричество и, соответственно, не работал ни один «электрический» датчик. В частности, не было никакой информации об уровне охлаждающей жидкости в реакторе.

авиационной техники, АЭС, нефтегазодобывающей отрасли есть необходимость измерения уровня жидкости с погрешностью меньшей 0, мм, например: уровня топлива в условиях полета, в системах налива/слива топлива, учета нефтепродуктов в условиях воздействия сильных пожароопасности.

Существующие датчики и системы измерения уровня топлива, основанные на таких физических принципах как емкостный, индуктивный, поплавковый, ультразвуковой и др. требуют в конструкции изделия дополнительных систем и контуров защиты от случайного проскакивания искры, так как для преобразования измерительной информации используют электрические сигналы. Это, в свою очередь, приводит к вертолетной индустрии до настоящего времени используются поплавковые уровнемеры, занимающие до 10 % объема топливного бака, не позволяющие с высокой точностью выполнять измерения при наклоне бака относительно линии горизонта, а самое главное – механическая преобразующая система может выйти из строя при механических воздействиях.

Стоит задача создания систем измерения уровня жидкости, в которых исключены недостатки существующих средств измерения уровня нефтегазодобывающей отрасли и др. волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред (ВОСИУЖС) позволит решить эту задачу.

Сложность создания таких систем заключается в необходимости обеспечения надежной конструкции, которая в реальных условиях применения должна работать при воздействии температуры в диапазоне от минус 60 до 85 оС, вибраций до 100g, а также под большим напором при заполнении емкости жидкостью (жидким топливом). Известные конструкции волоконно-оптических средств измерения не могут работать в таких условиях, так как возможна поломка оптических волокон.

Проблемами создания ВОСИУЖС занимались ученые: В.И. Бусурин, М.М. Бутусов, А.Г. Годнев, А.В. Гориш, В.Г. Жилин, Е.А. Зак, Н.Е.

Конюхов, Я.В. Малков, Т.И. Мурашкина, В.Д. Бурков, А.Л. Патлах, А.Г.

Пивкин, В.Т. Потапов, Д.И. Серебряков, Н.П. Удалов и др. Имеются определенные научно-технические решения по построению ВОСИУЖС. В то же время в известной научно-технической литературе недостаточно отражены вопросы разработки и изготовления ВОСИУЖС для инженернотехнических объектов, эксплуатируемых в искро-, взрыво-, пожароопасных условиях, в том числе в условиях движения (полета).

ВОСИУЖС, построенных на принципе нарушения условия полного внутреннего отражения светового потока, получивших наибольшее распространение, является практическая невозможность измерения текущего уровня жидкостей, и в том числе непрозрачных жидкостей, создающих пленки на поверхности оптических чувствительных элементов.

Решение данной проблемы лежит на пути создания новых высокопрочных, искро-взрыво-пожаробезопасных ВОСИУЖС, функционирующих с высокой точностью за счет применения новых технологических подходов, современной комплектующей базы, эффективных технических решений.

Исследование и разработка научно обоснованных технических эксплуатационными характеристиками, представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное социально-экономическое значение.

Цель исследований Целью диссертационной работы является повышение точности измерения уровня жидкостных сред на инженерно-технических объектах в условиях повышенной искро-, взрыво-, пожароопасности.

Научная задача обоснование, разработка новых конструкций, технологических процедур изготовления искро-, взрыво-, пожаробезопасных волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие частные задачи:

1) разработать структурные, математические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОСИУЖС;

2) математически обосновать распределение светового потока в оптической системе ВОСИУЖС, на основании которого путем численного моделирования получить оптимальные конструктивные параметры оптических систем, обеспечивающие более точное определение уровня жидкостных сред;

3) разработать методики расчета основных конструктивных и энергетических параметров оптической системы измерительных преобразователей разрабатываемых ВОСИУЖС, определить энергетические соотношения сигналов в ВОСИУЖС, обеспечивающие их искро-взрыво-пожаробезопасность;

4) теоретически обосновать новые и модернизированные технические решения физической реализации ВОСИУЖС, позволяющие при незначительной модификации конструктивного исполнения ее компонентов создавать ВОСИУЖС для измерения уровня жидкости с различными коэффициентами преломления (в том числе непрозрачных), в разных условиях применения, в том числе при изменении угла наклона поверхности жидкости в емкости в условиях движения (полета), на разных объектах с улучшенными метрологическими характеристиками на основе применения новых методов измерения;

5) разработать технологические процедуры настройки и юстировки оптических систем измерительных преобразователей, входящих в состав ВОСИУЖС;

6) разработать новые технологические решения ВОИСУЖС, обеспечивающие простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, технологичность конструкции системы;

провести экспериментальные исследования изготовленных лабораторных образцов ВОСИУЖС для подтверждения теоретических положений диссертационных исследований.

Область исследования Задачи, решенные в диссертации, соответствуют областям исследования специальностей 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение): п. 1 - научное обоснование перспективных ВОСИУЖС, п. 6 - исследование возможностей и путей ВОИСУЖ, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения существующих ВОСИУЖС.

Объект исследования – волоконно-оптические сигнализаторы уровня жидкостных сред, волоконно-оптические датчики гиростатического давления и волоконно-оптические системы уровня жидкостных сред на их основе.

решения, технологические способы, режимы технологических процессов, обеспечивающие создание волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостей, позволяющих определять уровень прозрачных и непрозрачных для ИК-излучения жидкостей, как в статических условиях, так и в условиях движения (полета).

Методы исследований При разработке математических и физических моделей ВОСИУЖС использовались основные положения волновой, геометрической оптики, применялись методы математической физики. При решении задач по повышению метрологических и эксплуатационных характеристик ВОСИУЖС использовались положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. При проведении метрологического анализа использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей.

При экспериментальных исследованиях использовались теория измерений, теория планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Достоверность результатов Достоверность результатов, изложенных в работе, подтверждается непротиворечивостью выводов законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием, экспериментальными исследованиями, а также созданием и испытаниями действующих лабораторных образцов ВОСИУЖС.

Новизна научных результатов заключается в следующем:

1) Модернизированный искро-взрыво-пожаробезопасный многоточечный волоконно-оптический уровнемер жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, отличается наличием несколько оптических чувствительных элементов, оптические оси которых смещены относительно друг друга на требуемый уровень дискретности и перпендикулярны продольной оси несущей трубы малого размера, в виде прозрачных стержней с шаровидным сегментом, контактирующих с границей раздела сред «газ-жидкость», что обеспечивает снижение погрешности вариации при изменении направления движения границы раздела сред «газ-жидкость».

2) Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения прозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред отличается тем, что содержит три и более многоточечных волоконно оптических уровнемера жидкостных сред, что обеспечивает снижение дополнительной погрешности измерения в условиях движения за счет формирования плоскости поверхности жидкости, расположенной под расчетным углом к горизонту, по трем и более точкам, в которых осуществляется контакт трех (и более) оптических чувствительных элементов разных многоточечных волоконно-оптических уровнемеров, смещенных относительно друг друга на требуемый уровень дискретности, с границей раздела сред «газ-жидкость».

3) Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня прозрачных и непрозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред в больших емкостях и в условиях движения отличается наличием в своем составе калибровочных волоконнооптических сигнализаторов уровня жидкости, оптические чувствительные элементы которых контактируют с границей сред «газ-жидкость», автокалибровочных волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкостных сред, упругие элементы которых контактируют с границей сред «газ-жидкость» и выполнены в виде мембраны или сильфона, волоконно-оптических датчиков гиростатического давления аттенюаторного типа, количество сигнализаторов и датчиков гидростатического давления соответствует количеству секторов измерения по высоте емкости.

Деление высоты емкости на сектора позволяет уменьшить накопление систематической составляющей погрешности измерения за счет автокалибровки системы в процессе измерения.

4) Способы и технологические процедуры изготовления новых волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред отличаются тем, что - процесс сборки волоконно-оптического кабеля унифицирован для любой комплектации системы, - процедуры настройки и юстировки сигнализаторов и датчиков давления осуществляются для каждого сектора измерения перед окончательной сборкой системы, - окончательная сборка системы осуществляется последовательным неразъемным соединением секций снизу вверх, что обеспечивают простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, высокую технологичность конструкции системы, достижение улучшенных метрологических характеристик системы.

Практическая значимость работы

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконнооптических систем» и способствует решению актуальной научнотехнической задачи создания новых ВОСИУЖС, с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их на изделиях авиационной и ракетно-космической техники.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание лабораторных образцов новых ВОСИУЖС позволяют перейти к их промышленному производству и внедрению.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009- г.г.)» НИР «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами»

(№2.1.2/937), в рамках гранта по поддержке ведущей научной школы РФ «Волоконно-оптическое приборостроение» (НШ-681.2014.10, соглашение от 03.02.2014 №14Z57.14.681-НШ, спецтема).

Реализация результатов работы Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке конструкторской и технологической документации лабораторного образца ВОИСУЖС: шифр ПГУ-ВОУ01-001.

ВОСИУЖС использованы в НИР «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными «Приборостроение» ПГУ.

Имеются акты внедрения ЗАО «РУСПРОМ» г. Москва, ОАО «НПК «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», г. Пенза.

Апробация работы Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной выставке «Helirussia-2011» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2011 г.г.), Международных научно-технических симпозиумах «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010 - 2014 г.г.), VI-м Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов, 2011 г.), IV-ом Российском форуме «Российским инновациям – российский капитал» и IХ-ой ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Оренбург, 2011 г., проект «Волоконно-оптические датчики физических величин для волоконно-оптических информационноизмерительных систем» отмечен дипломом и серебряной медалью), I-ой Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих межотраслевом молодежном научно-техническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики -2011»- ВВЦ, г. Москва; XV-ом Международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД-2012» (г. Москва), Молодежных конкурсах инновационных проектов «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике (г. Звездный, 2011, 2012 г.г, проект «Волоконно оптические датчики физических величин для волоконно-оптических информационно-измерительных систем» отмечен дипломом победителя конкурса), Всероссийских НТК «Методики, техника и аппаратура внешних и внутренних испытаний» «ИСПЫТАНИЯ-2011» и «Волоконнооптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении»

«СВЕТ-2013» (Пенза, 2011 г., 2013 г.).

Публикации Основные положения диссертации опубликованы в 25 работах, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ. Без соавторов опубликована работа.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырх глав и заключения, библиографического списка, шести приложений. Основная часть изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков, таблицы. Список литературы содержит 125 наименований. Приложения к диссертации занимают 27 страниц.

На защиту выносятся:

1) Модернизированный искро-взрыво-пожаробезопасный многоточечный волоконно-оптический уровнемер жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, содержащий несколько оптических чувствительных элементов, оптические оси которых перпендикулярны продольной оси несущей трубы, смещенных относительно друг друга на требуемый уровень дискретности, в виде прозрачных стержней с шаровидным сегментом, контактирующих с границей раздела сред «газ-жидкость».

2) Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, содержащая три и более многоточечных волоконно-оптических уровнемера жидкостных сред, обеспечивающая снижение дополнительной погрешности измерения в условиях движения за счет формирования плоскости поверхности жидкости, расположенной под расчетным углом к горизонту, по трем и более точкам, в которых осуществляется контакт трех (и более) оптических чувствительных элементов разных многоточечных волоконно-оптических уровнемеров, смещенных относительно друг друга на требуемый уровень дискретности, с границей раздела сред «газ жидкость».

3) Искро-взрыво-пожаробезопасная волоконно-оптическая система измерения уровня прозрачных и непрозрачных для инфракрасного излучения жидкостных сред в больших емкостях и в условиях движения, содержащих волоконно-оптические сигнализаторы, калибровочные сигнализаторы, датчики гидростатического давления, количество которых равно количеству секторов измерения, на которые поделена по высоте емкость.

4) Способы и технологические процедуры изготовления модернизированных многоточечных волоконно-оптических уровнемеров, обеспечивающие простоту сборки и юстировки элементов оптической системы, технологичность конструкции системы, достижение требуемых метрологических характеристик.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ИСКРО-ВЗРЫВО-ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСНЫХ

СРЕД НА ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ В

РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1 Анализ известных способов и средств измерения уровня жидкостных сред В настоящее время современные и перспективные разработки авиационной, вертолетной, ракетно-космической, нефтегазодобывающей и других отраслей техники нуждаются в определенной номенклатуре датчиков для информационно-измерительных систем (ИИС), к которым работоспособность в жестких условиях эксплуатации и обеспечение безопасности. Особенно это актуально при измерении уровня взрывоопасных жидкостей. Введение в конструкции изделия дополнительных систем и контуров защиты от случайного проскакивания искры приводит к увеличению массы авиационной, ракетной и другой техники.

Одним из основных требований, предъявляемых к ИИС измерения уровня жидкостных сред является требование обеспечения высокой точности регистрации уровня жидкостных сред [58].

В современных ИИС применяется несколько способов измерения уровня жидкостных сред, которые условно можно разделить на следующие группы: емкостные, резонансные, ультразвуковые, манометрические, термометрические, поплавковые, вибрационные и оптические.

В настоящее время в РК и АТ, в нефте- и газовой, химических промышленностях и в других отраслях зачастую применяются радиолокационный, ультразвуковой, поплавково-индуктивный и емкостный уровнемеры жидкостных сред.

Сравним различные типы датчиков для ИИС.

Радиолокационные уровнемеры фирм «Saab» типа Saab Tank Radar L/2, Швеция, «Enfar» типа 872, Голландия, Завод «Красное знамя», г.

Рязань работают по принципу частотно-модулированной синтезированной импульсной рефлектометрии [28]. Диапазон измерения 0…40 м.

Погрешность измерения (по рекламным источникам) ± 1 мм (фактически ± 5 мм). Чувствительность ± 0,1 мм. Рабочая частота 9,5…10,5 ГГц.

Излучаемая мощность 0,1 мВт. Диапазон рабочей температуры (минус 40…+ 85) оС (возможен более широкий диапазон).

К недостаткам этого типа уровнемеров можно отнести:

- неработоспособность при выпадении на антенне конденсата влаги;

- увеличение погрешности при градиенте температуры в газовой подушке над поверхностью жидкости при хаотичном изменении физических свойств газовой подушки из-за подсоса воздуха при сливе, а также при изменении условий реверберации радиоволн внутри резервуара;

- необходимость привлечения образцовых средств измерения для периодической поверки уровнемера.

Перечисленные недостатки радиолокационных уровнемеров в полной мере присущи и ультразвуковым уровнемерам.

(пьезокерамическая пластина, зажатая в конструкцию, к которой от высокочастотного генератора подводится возбуждающий ток) [28]. Однако ультразвуковых датчиков сложна, на колеблющейся поверхности могут возникать побочные нежелательные явления типа кавитации (в особенности при работе в кипящей жидкости), появление которых заранее предсказать трудно. По этой причине надежность внутрибаковых ультразвуковых датчиков значительно уступает надежности емкостных и манометрических датчиков. Технология получения ультразвуковых датчиков с нужными резонансными характеристиками достаточно сложна и требует весьма существенных научно-технических и финансовых затрат.

Важнейшим фактором, увеличивающим погрешность измерения радиолокационных и ультразвуковых уровнемеров, является случайное распределение физических свойств газа по всей высоте резервуара.

По простоте, массе и надежности предпочтительнее емкостная система [68,98]. Аппаратуру представляется возможным располагать на значительном удалении от объекта измерения (до 500 м), в то время как в ультразвуковой и манометрической системах преобразующая аппаратура должна располагаться в непосредственной близости от датчика.

Емкостная система позволяет произвести практически полную проверку работоспособности простыми средствами с пульта управления заправкой. Любые обрывы в кабелях или неисправности их состыковки приведут к разбалансу измерительного моста. При номинальном же состоянии (баланс моста) мост может быть искусственно разбалансирован путем подключения образцового конденсатора. В этом заключается проверка работоспособности емкостной системы.

Для достижения тех же целей в ультразвуковых и, особенно, манометрических системах требуется специальная аппаратура и значительное время.

Инерционность ультразвуковой и емкостной системы практически одинакова (не более 0,1 с), а манометрической выше: 0,2…0,5 с, хотя остается в пределах применимости при скоростях заправки до 10 мм/с [68].

Емкостная уровнемерная система является чисто электрической: не требует преобразования неэлектрических величин в электрические и обратно. Это важно, так как любые преобразования неэлектрических величин в электрические связаны с дополнительными “подводными камнями”, опасными для сохранения таких важнейших характеристик системы, как надежность, точность и помехоустойчивость.

Таким образом, системы с емкостными датчиками обеспечивают определенные преимущества.

В случае использования в качестве горючего жидкого водорода применение уровнемеров емкостного типа исключается, так как малое значение относительной диэлектрической проницаемости горючего (г=1,2) требует увеличения “сухой” емкости измерительной точки, и, как следствие, увеличения габаритов и массы датчика в целом.

непосредственной близости от емкости. В некоторых случаях требование по обеспечению безопасности эксплуатации объекта предписывает удаление аппаратуры на безопасное расстояние от емкости. Поэтому при создании ИИС при заправках нужно найти решение, позволяющее точно измерять емкость на достаточном удалении от датчика уровня, то есть требуется обеспечить измерение электрической емкости с погрешностью не более ±0,1 пФ с учетом паразитной электрической емкости кабельной линии связи, значение которой может составлять 30000 пФ [68]. Это представляет серьезную научно-техническую и метрологическую проблему, называемой среди разработчиков “проблемой длинной линии”.

Данную проблему представляется возможным решить с помощью применения трансформаторных мостовых цепей с индуктивной связью, дестабилизирующих факторов. Но это решение обусловливает усложнение и увеличение габаритов аппаратуры.

С появлением в РК и АТ горячего наддува баков емкостные средства стали для некоторых компонентов топлива неприемлемыми, так как газы электропроводности [8].

поплавковых датчиков для криогенных компонентов топлива, так как отсутствуют данные и технические характеристики свойств магнитных представляется возможным создать технологию изготовления достаточно прочных шариков-поплавков [68, 98]. Кроме указанных недостатков следует отметить, что поплавково-индуктивные датчики громоздкие и сложные в эксплуатации.

При применении емкостных и индуктивных датчиков в условиях воздействия криогенных температур для обеспечения безопасности необходимо учитывать:

присоединительных проводов, сварки, материалов проводов (токонесущих жил, экранирующей оплетки, изоляции);

- определение рабочего диапазона регистрации параметров и начального выходного параметра датчика – электрической емкости, так как при изменении температуры укорачиваются или удлиняются электроды датчика и изменяется зазор между ними;

- привязку датчика к базовой плоскости, от которой отсчитывается диапазон регистрации датчика;

- повышенную опасность натекания компонентов топлива в межбаковое пространство блока вследствие разгерметизации баков или магистралей подачи компонентов топлива, магистральной заправки слива и дренажа;

- требование отсутствия органических материалов в конструкции датчика, в том числе в присоединительных проводах.

Следовательно, обеспечение безопасной эксплуатации ведет к увеличению цены, массы и габаритов емкостных и поплавковоиндуктивных датчиков.

Из всего вышесказанного следует вывод: для обеспечения безопасности и надежности ИИС при измерении уровня жидкости с помощью емкостных и поплавково-индуктивных датчиков, приходится жертвовать такими ключевыми параметрами как масса и габариты. А так как в данных датчиках используются элементы электрических цепей, существует вероятность возникновения искры, так как некоторые типы топлива, используемые на специальных объектах, взрывоопасны.

Для измерения текущего уровня жидкостной среды достаточно эффективным представляется способ, основанный на регистрации интенсивности светового потока, отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на дне емкости, заполняемой жидкостью, уровень которой контролируется [98].

Способ регистрации уровня жидкости заключается в изменении соотношения толщин сред с разными коэффициентами преломления, через которые проходит сходящийся (или расходящийся) световой поток, и изменении радиуса rпи(Х) светового пятна в плоскости ПИ в зависимости от контролируемого уровня жидкостной среды Х (рисунок 1.1).

Измерительный преобразователь оптического уровнемера содержит приемо-передающую оптическую систему 1, собирающую линзу 2, зеркало 3. Линза 2 и зеркало 3 соединены между собой конструктивными элементами 4, длина которых определяется контролируемым уровнем жидкостной среды. Источник излучения 1 располагается относительно линзы 2 таким образом, чтобы световой поток, идущий в направлении зеркала, был сходящимся или расходящимся.

Недостаток данного уровнемера состоит в небольших диапазонах (максимальный уровень не более 50 мм) измерения.

Рисунок 1.1 –Оптический датчик уровня отражательного типа перемещения, заключающийся в том, что с помощью оптической системы формируется пучок лучей света, идущий в прозрачной однородной среде под углом к оптической оси приемной оптической системы в направлении к отражающей перемещающейся поверхности, отраженный световой поток поступает на приемную оптическую систему, где преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому перемещению (рисунок 1.2).

В конструкции устройства, реализующего способ, используется несколько источников излучения 1, установленных под некоторым углом к оптической оси рабочего приемника излучения 2 и под углом (90- ) - к поверхности отражателя 3. Угол выбирается из следующих соображений.

Рисунок 1.2 – К пояснению оптического способа измерения перемещения (уровня) В начале диапазона измерения на приемник излучения должен падать как можно меньший световой поток, а в конце диапазона как можно больший, что компенсирует резкое его затухание в пространстве с удалением контролируемого объекта. Отсюда следует, что угол между оптическими осями источника излучения и рабочего приемника излучения должен быть сходящимся в конце диапазона измерения. Но по известному способу отражающая поверхность должна располагаться на границе раздела сред «газ-жидкость», то есть «плавать». При этом возможны захлестывания жидкостной среды на отражатель, что изменяет условия отражения и, соответственно, снижает точность регистрации. Кроме того, размеры отражателя должны быть большими, если регистрируется уровень жидкости в больших емкостях.

рассмотренный в [28], был применен для измерения текущего значения уровня жидкости. Он основан на регистрации интенсивности светового потока, отраженного от зеркальной поверхности, расположенной на дне емкости, заполняемой жидкостной средой (рисунок 1.3). Сущность способа заключается в том, что формируется световой поток, сходящийся относительно оптической оси приемной оптической системы ОЭИП под некоторым углом, причем часть пути (H-Xi) световой поток проходит в прямом направлении к неподвижной отражающей зеркальной поверхности, расположенной на расстоянии Н от излучающей поверхности оптической системы, через первую среду (например, воздух) с коэффициентом преломления n1, а вторую часть пути - во второй среде с коэффициентом преломления n2>n1, уровень Xi которой регистрируется;

регистрируют отраженный от зеркальной поверхности световой поток, прошедший расстояние Н в обратном направлении [34].

Для обеспечения безопасности измерения жидкостных сред на специальных объектах необходимо применять датчики, измерительные преобразователи которых не содержат конструктивные элементы электрических цепей.

Рисунок 1.3 – Схемно-конструктивная модель оптической системы, К этому типу датчиков относятся волоконно-оптические датчики уровня или уровнемеры (ВОУ) [1, 12, 17].

чувствительный элемент (ОЧЭ) с протяженным оптическим волокном (ОВ), в котором условие полного внутреннего отражения (ПВО) нарушается при контакте с контролируемой жидкостью (рисунок 1.4) [69].

ОЧЭ 3 представляет собой ОВ с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления. При отсутствии контакта поверхности ОЧЭ 3 с жидкостью световой поток Ф0 от источника излучения ИИ 1 передается посредством ОВ 2 к ЧЭ 3 путем ПВО проходит его и с помощью ОВ попадает на приемник излучения (ПИ) 4. При появлении жидкости с показателем преломления nж > 1 для части лучей нарушается условие ПВО на границе “ЧЭ – жидкость”, часть светового потока Ф покидает ЧЭ 3 и выходит в жидкость. Соответственно изменяется интенсивность светового потока, падающего на ПИ 4, что фиксируется измерительными приборами.

Угол падения светового излучения на границу раздела “ОЧЭ окружающая среда” выбирается в таких пределах, чтобы при контакте ОЧЭ с воздухом условие ПВО выполнялось, а при контакте с жидкостью – нарушалось, что ведет к выходу части светового потока из ОЧЭ, то есть где n0, n1, n2 – показатели преломления воздуха, жидкости и ЧЭ Известно [87], что зависимость мощности Рвых светового потока, достигающего ПИ 4, от пройденного пути и начальной мощности Р экспоненциальная:

где с - коэффициент, учитывающий френелевские потери, обусловленные отражением светового потока от поверхностей ОВ;

- коэффициент экстинкции, учитывающий поглощение и рассеяние светового потока материалом ОВ;

к = 1, 2,..., n - количество отражений;

N - коэффициент использования светового потока, N=(Ф0- Ф)/Ф0.

технического решения сложна, так как требуется достаточно сложное технологическое оборудование для изготовления ОЧЭ с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, который в свою очередь должен обеспечить линейность зависимости (1.2). А также следует отметить, что использование протяженного ОЧЭ в конструкции ВОУ снижает надежность конструкции из-за возможности разрушения его при воздействии механических факторов.

Из возможных физических принципов действия ВОУ наиболее практичны и универсальны методы, основанные на изменении показателя преломления среды. При этом используют пороговый эффект - нарушение условия ПВО на границе двух сред при повышении показателя преломления внешней среды (погружении ОЧЭ в жидкость) [22].

Прозрачность жидкости, ее рассеивающие свойства, поглощение в ней не влияют на результаты измерений, опасность может представлять лишь загрязнение рабочей поверхности плотными непрозрачными веществами.

Важно отметить, что многие недостатки, принципиально свойственные амплитудным датчикам (невысокие точностные характеристики, их нелинейность, малый динамический диапазон) [80, 90, 104], в дискретных уровнемерах не имеют значения, поскольку в них используется пороговый принцип формирования сигналов. Достоинства же - возможность применять массовые ИИ и ПИ оптического излучения, многомодовые ОВ, простые схемы обработки сигналов в значительной степени решении задач, не требующих контроля текущего уровня жидкости, целесообразно применять сигнализаторы, работающей в релейном режиме.

Их выходной сигнал должен восприниматься последующей системой обработки первичной информации как "0" или "1" в зависимости от того, погружен ли ОЧЭ сигнализатора в жидкость или находится над ней.

Возможность четко различать эти два состояния определяется, главным образом, отношением выходных сигналов ОЧЭ в погруженном и непогруженном состояниях. Относительный перепад интенсивности оптического сигнала Q от параметров ОЧЭ определяется формулой [49] где I0, I - интенсивности светового потока на выходе ЧЭ, находящегося в газовой среде и жидкости соответственно.

Для надежной работы уровнемера в погруженном и непогруженном состояниях этот перепад между выходными сигналами должен быть максимальным. Возможный перепад в значительной степени определяется показателем преломления жидкости: при малых значениях показателя преломления трудно получить большой перепад сигнала.

В работе [70] показано, как работает сигнализатор, ОЧЭ которого представляет собой оправку с коническими поверхностями, обращенными вершинами к зазору между отрезками подводящего (ПОВ) 2 и отводящего (ООВ) оптических волокон 3 (рисунок 1.5).

- источник излучения; 2, 7 - подводящее оптическое волокно;

- отводящее оптическое волокно; - приемник излучения;

Рисунок 1.5 - Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости При отсутствии жидкости в зазоре между ПОВ 2 и ООВ 3 поток излучения от ИИ 1 идет по ПОВ 2, доходит до выходного торца и выходит из ПОВ 2 расходящимся конусом. Часть этого потока излучения попадает в ООВ 3. Относительное значение попавшего в ООВ 3 светового потока зависит от квадратов значений зазора, показателя преломления среды, диаметра и апертурного угла ОВ.

Переменной величиной является показатель преломления среды n в измерительном зазоре. У воздуха nв = 1,0, у жидкости nж = 1,33…1,7.

Излучение от ПОВ 2, попавшее в ООВ 3, проходит по нему и попадает на чувствительную площадку 5 ПИ 4. Возникающий при этом электрический сигнал поступает на один вход схемы сравнения электронного блока.

Поток излучения, вышедший из ПОВ 7, засвечивает чувствительную площадку 6 ПИ 4. Электрический сигнал с этой площадки поступает на второй вход схемы сравнения. При изменении фазы среды, находящейся в зазоре между ПОВ 2 и ООВ 3, значение электрического сигнала на чувствительной площадке 5 ПИ 4 меняется в 1,75…2,9 раза. При этом меняется знак разности электрических сигналов на входах схемы сравнения электронного блока, и она выдает команду переключателю.

Достоинством данного технического решения является отсутствие эффекта смачиваемости. Связано это с тем, что при изменении уровня жидкости на высоте конусов оправы 8 поверхностное натяжение стягивает капли жидкости от зазора. Малый диаметр ОВ (0,1…0,6 мм) и большая длина конца ОВ, консольно выступающего из конуса, препятствуют образованию капель на торцах ОВ, а мениск жидкости в зазоре имеет значение, меньшее диаметра ОВ.

Однако существенным недостатком данной конструкции являются большие потери светового потока в зазоре между отрезками ПОВ 2 и ООВ 3, так как большая часть светового потока от ПОВ 2 распространяется вне апертурного угла ООВ 3.

Часто на практике стоит задача контролировать уровень жидкости в нескольких точках. При решении данной задачи необходимо использовать несколько простых в конструкции и надежных волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости (ВОСУЖ), расположенных на определенных уровнях.

Достаточно простая конструкция сигнализатора, в котором в качестве ЧЭ применяются прямоугольные микропризмы (рисунок 1.6) [78].

- отводящее оптическое волокно; - приемник излучения;

Рисунок 1.6 - Волоконно-оптический сигнализатор предельных значений ОЧЭ 1 установлены в емкости 7 в зоне предельно допустимых значений уровня жидкости. ПОВ 2 передает световой поток от ИИ 6 к ОЧЭ 1. При отсутствии жидкости отраженный световой поток от ОЧЭ поступает в ООВ 3 и передается к ПИ 4, с которого поступает на средства сигнализации 5.

При достижении жидкостью ОЧЭ 1 световые лучи уже не отражаются от поверхности ОЧЭ, а выходят в жидкость и поглощаются ею. Интенсивность светового отраженного потока, поступающего на ПИ 4, резко падает, что является сигналом наличия жидкости в зоне предельного уровня.

микропризмы, ограничивает возможность регистрации жидкостей с малым показателем преломления из-за того, что угол падения луча света на рабочие поверхности ОЧЭ близок к 45о.

Недостаток данного сигнализатора можно исключить, используя техническое решение, которое представляет собой ВОУ, у которого ОЧЭ состоит из двух зеркально симметричных прозрачных частей, каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали (рисунок 1.7) [71].

В этом случае лучи света от ИИ 1 прошедшие ПОВ 2 падают на отражаясь от нее, фокусируется на торце ООВ 4, с помощью которого поступают на ПИ 5. Необходимым условием фокусирования излучения на торце ООВ 4 является симметрия ОЧЭ 3 относительно плоскости, проходящей через точку к пересечения крайних лучей ОВ1 и ОВ2 апертуры и перпендикулярной оси ОО1.

Эффективность данного технического решения заключается в высокой чувствительности к минимально регистрируемому дискрету оптических плотностей измеряемых сред. С помощью данного технического решения можно исключить множество недостатков присущих другим ВОУ.

Однако получить требуемую форму ОЧЭ невозможно, т.к. на практике технологически сложно обеспечить заданную точность формирования геометрической поверхности ОЧЭ, а также обеспечить точность и надежность состыковки ПОВ и ООВ с ОЧЭ.

1.2 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических сигнализаторов уровня жидкостных сред В работе [73] описан волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкостных сред (ВОС), который частично решает поставленную задачу, в котором исключены перечисленные недостатки (рисунок 1.8).

ВОС содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения 1, например полупроводниковый излучающий диод, подводящее 2 и отводящие 3 оптические волокна, чувствительный элемент 4, корпус 5, состоящий из двух частей 6 и 7, приемник излучения 8, например фотодиод. Цилиндрическая часть чувствительного элемента 4 закреплена в части 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 9 с коэффициентом преломления n2 < nВ.СР, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение большее или равное расчетного радиуса R.

Рисунок 1.8 - Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости Подводящее оптическое волокно 2 и отводящие оптические волокна 3 собраны в пучок и закреплены в части 7 корпуса 5 с помощью клея 10, обладающего большой упругостью.

Части 6 и 7 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 11, при этом центр торца подводящего оптического волокна 2 должен находится на одной оси с центром торца чувствительного элемента 4.

Оптический чувствительный элемент 4 (ОЧЭ) выполнен в виде оптически прозрачного стержня круглого сечения диаметром D, один торец которого, соприкасающийся с жидкостью, выполнен в виде шарового сегмента из материала, для которого выполняется условие n0 < n < n2, где n0, n1, n2 - показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 – Оптический чувствительный элемент волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости ОЧЭ может быть изготовлен из кварцевого стекла. Радиус шарового сегмента однозначно связан с углом ввода светового потока в стержень и углами и, под которым он переотражается от границы раздела "ОЧЭ внешняя среда”.

Световой поток по ОЧЭ распространяется таким образом, что в зоне его контакта с воздухом выполняется условие ПВО, а при контакте с жидкостной средой - нарушается, что вызывает выход части светового потока из ОЧЭ. Для того чтобы относительный перепад Q интенсивности светового потока был максимальным, угол ввода излучения в ОЧЭ выбирается в таких пределах, чтобы при контакте ОЧЭ с воздухом условие ПВО выполнялось, а при контакте с жидкостной средой – нарушалось.

сигнализатора достаточно проста. Для изготовления ОЧЭ берутся кварцевые заготовки - стержни расчетным диаметром. Стержень требуемой длины с одного торца с помощью газовой горелки оплавляется так, чтобы сформировался шаровой сегмент расчетного радиуса, а с другого торца формируется плоскость, перпендикулярная оптической оси.

Высокой точности при формировании поверхности ОЧЭ не требуется.

Поэтому специальная оснастка для изготовления ОЧЭ не нужна.

Соответственно, стоимость сигнализатора значительно ниже аналогичных по функциональному назначению датчиков.

Недостатками данного сигнализатора является отсутствие возможности измерять несколько значений уровня жидкости. В тоже время, данное техническое решение с успехом может быть использовано при решении поставленных задач при определенной модернизации для разрабатываемой системы измерения уровня жидкости, что выполнено в рамках данных диссертационных исследований.

1.3 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических многоточечных уровнемеров жидкостных сред Для измерения несколько значений уровня жидкостных сред в работе [69] предложена конструкция многоточечного волоконнооптического уровнемера (МВОУ) (рисунок 1.10).

Волоконно-оптический уровнемер содержит источники излучения 1, например полупроводниковые светодиоды, подводящие 2 и отводящие оптические волокна, оптические стержни 4, Г-образные корпуса 5, состоящие из трех частей: полых трубок 6, втулок 7 со сквозным внутренним отверстием, наконечников 8 в виде конуса с цилиндрическим сквозным отверстием, трубу 9, заглушку 10, приемники излучения 11, например фотодиоды. С источниками излучения состыкованы подводящие оптические волокна, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости. Стержни 4 имеют круглое сечение и выполнены с шаровидными сегментами на рабочем торце из оптически прозрачного материала, например, из кварцевого стекла, для которого выполняется условие: nСР < nЖ < n1, где nСР, nЖ, n1 – показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержня соответственно.

Рисунок 1.10 - Упрощенная конструктивная схема волоконно-оптического уровнемера Цилиндрическая часть стержней 4 закрепляется в конусообразном наконечнике 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 12 с коэффициентом преломления n1, меньшим коэффициента преломления жидкости nЖ (n1 < nЖ), уровень которой измеряется. Подводящее оптическое волокно 2 и отводящее оптическое волокно 3 закреплены во втулке 7 корпуса 5 с помощью клея 13, обладающего большой упругостью.

Части 6, 7, 8 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 14, при этом центры торцов подводящего оптического волокна 2 и отводящего оптического волокна 3 смещены относительно центра торца стержня 4 на значение равное (dов/2 …1,5 dов/2). Количество корпусов соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Труба 9 изготавливается длиною не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости. В трубе просверлены сквозные отверстия так, чтобы их оси были перпендикулярны продольной оси трубы.

Например, отверстия выполнены равномерно по спирали с равномерным шагом, соответствующим расстоянию между точками съема информации.

Количество отверстий соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости. Корпуса 5 крепятся к трубе 9 с помощью сварки 15 так, чтобы отверстия в верхней части корпуса 5 были совмещены с отверстиями в трубе 9. Герметизация трубы осуществляется с помощью заглушки 10, которая крепится к трубе 9 с помощью сварки 16.

Внутренняя полость 17 трубы 9 заполняется герметиком 18 в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т.п.

Отводящие оптические волокна 3, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости, соединены с приемниками излучения 11. Оптические волокна 2 и 3 проходят внутри трубы 9 и через отверстия в трубе 9 протянуты к приемному торцу стержня Один измерительный канал волоконно-оптического уровнемера работает следующим образом.

Излучение источника излучения 1 направляется по подводящему оптическому волокну 2 к стержню 4. Поток излучения, излучаемый торцом подводящего оптического волокна 2, падает на входной торец стержня 4, преломляется и распространяется по нему путем переотражения от цилиндрической поверхности до шарового сегмента. При отсутствии контакта шарового сегмента стержня 4 с жидкостью лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения отражаются от поверхности стрежня и возвращаются обратно к входному торцу стержня 4, преломляются и выходят из стержня 4, падая на приемный торец отводящего оптического волокна 3. По отводящему оптическому волокну 3 поток излучения распространяется до приемника излучения 11, где происходит его преобразование в электрический сигнал. При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения, и большая часть излучения выходит из стержня, оставшаяся меньшая часть по отводящему оптическому волокну распространяется до приемника излучения 11. Таким образом, наличию жидкости в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения приемника излучения 11, отсутствию жидкости – низкий уровень напряжения.

Аналогичным образом работают другие измерительные каналы волоконно-оптического уровнемера.

Повышение или понижение уровня жидкости в емкости ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения в дальнейшем могут передаваться в систему обработки информации, которая может выдавать сигнал в виде последовательного дискретного повышения или понижения напряжения соответственно при повышении и понижении уровня жидкости, или обрабатывать индивидуально сигналы с каждого измерительного канала.

Недостатками данной системы является следующее:

- при регистрации уровня жидкости, движущейся перпендикулярно к оптической оси уровнемера (например, морская волна), точность регистрации будет невысокой;

- технологически сложно изготовить наконечник в виде конуса;

- при сборке технологически трудно протянуть через длинную трубу оптические волокна, собранные в жгуты, кроме того, при этом можно в местах стыка трубы и корпусов сломать отдельные волокна, а определить место поломки возможно только после подстыковки оптических волокон к приемникам излучения;

- полировать волокна целесообразно после вклеивания во втулки, в противном случае в процессе сборке полированная поверхность может быть поцарапана;

- если измеряется уровень агрессивной среды (например, кислотный электролит), то возможно нарушение герметичности узла «стерженьнаконечник» из-за растворения клеящего состава.

Поэтому одна из задач, решаемых в данной работе, это задача совершенствования конструкции и технологии изготовления ВОСИУЖС с использованием технического решения по заявке № 2014111955/20 от 27.02.2014 [33].

Кроме того, известная ВОСИУЖС предназначена для измерения уровня жидкости с коэффициентом преломления n >1,25, прозрачной для инфракрасного излучения. В тоже время большинство жидкостей в различных емкостях могут быть непрозрачными для ИК-излучения, например, нефть.

Поэтому вторая сложная задача, решаемая в работе, - это модернизация ВОСИУЖС с целью применения ее для измерения любого типа жидкости в условиях воздействия вибраций, ударов, изменения температуры окружающей среды в диапазоне минус 60 до 85 оС (и более) на изделиях авиационной, вертолетной, ракетно-космической техники, нефтегазовой и в других отраслях техники.

возникающих в условиях полета летательного аппарата (ЛА): влияние на результат измерения уровня жидкостных сред:

- изменения плотности контролируемого вещества (при изменения температуры жидкости/окружающей среды);

- ускорения а ЛА при полете;

- наклона поверхности жидкости относительно горизонта.

Поэтому в работе решаются задачи повышения точности измерения уровня жидкостных сред при воздействии перечисленных факторов.

На многих инженерно-технических объектах вертолетной и авиационной техники, АЭС, нефтегазодобывающей отрасли есть необходимость измерения уровня жидкости с погрешностью меньшей 0, мм, например: уровня топлива в условиях полета, в системах налива/слива топлива, учета нефтепродуктов в условиях воздействия сильных пожароопасности. Эти задачи до сих пор не решены. Это третья задача, решению которой посвящена диссертационная работа.

1.4 Базовые конструктивно-технологические решения волоконнооптических датчиков гидростатического давления На многих сложных инженерно-технических объектах часто стоит задача измерения уровня искро-, взрыво-, пожароопасных жидкостей по всему объему емкости. Для этого используют датчики гидростатического давления (ДГД), располагаемые, как правило, на дне емкости (рисунок 1.11). Но ни один из существующих ДГД не рассчитан на измерение давления с высокой точностью в больших емкостях, что обусловлено конструктивными особенностями упругих мембран. Поэтому предлагается использовать волоконно-оптические ДГД (ВОДГД) и размещать их на нескольких уровнях емкости, например, если емкость имеет высоту 20 м, то ее по высоте можно разделить на 10 участков по 2 м и, соответственно на каждом уровне установить ВОДГД, диапазон измерения которого соответствует данному участку.

Измерение уровня в резервуарах и колодцах Рисунок 1.11 - Применение датчиков гидростатического давления При этом ВОДГД устанавливается на ту же трубу, на которой установлены ВОС (см. рисунок 3.2).

На рисунке 1.12 приведена упрощенная конструктивная схема волоконно-оптического датчика избыточного давления аттенюаторного типа по патенту РФ № 2290605, который является прототипом разрабатываемого ВОДГД с предельным аттенюатором [72].

Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 (например, с помощью сварки) или является его частью. В центре мембраны жестко закреплен аттенюатор 3 (шторка) с круглым отверстием на расстояниях l1 и l относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4 и приемных торцов отводящих оптических волокон ООВ первого и второго измерительных каналов соответственно.

Рисунок 1.12 - Упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального ВОДД с предельным аттенюатором ПОВ 4 и ООВ 5 жестко закреплены в корпусе 6. Юстировка волокон относительно отверстия в аттенюаторе 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.

Измеряемое давление воспринимается мембраной 1, при этом аттенюатор 3 смещается относительно подводящих и отводящих волокон, что ведет к изменению интенсивности световых потоков, поступивших в отводящие оптические волокна. Таким образом, преобразователем измерительной информации является дифференциальный волоконнооптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП) аттенюаторного типа.

На рисунке 1.13 приведена расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПМП с предельным аттенюатором, являющегося базовым элементом ВОДГД.

ВОПМП содержит аттенюатор 1 толщиной t с круглым отверстием, расположенный на расстоянии l1 относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ, и отводящие оптические волокна ООВ первого и второго измерительных каналов, расположенные на расстоянии L от ПОВ.

ВОПМП работает следующим образом. От источника излучения ИИ по подводящему оптическому волокну ПОВ 4 световой поток направляется в сторону аттенюатора 3. Под действием измеряемой физической величины (давления) аттенюатор перемещается на величину Z относительно торцов отводящих оптических волокон ООВ 5, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Ф1(Z) и Ф2(Z), поступающих по отводящим оптическим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения (фотодиодов) ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно.

электрические I1 и I2, поступающие на вход блока преобразования информации (БПИ).

Общий вид базового дифференциального волоконно-оптического датчика избыточного давления (ВОДИД) приведен на рисунке 1.14.

ВОДИД состоит из блока мембранного 1, волоконно-оптического кабеля ВОК 2, штуцера 3, корпуса 4, втулки 5, и согласующего устройства (в котором расположены фотодиоды и светодиод).

Блок мембранный 1 состоит из корпуса, мембраны и аттенюатора.

Мембрана выполнена из сплава 36НХТЮ, корпус и аттенюатор – из стали 12Х18Н10Т. Аттенюатор крепится к мембране посредством импульсной сварки.

Рисунок 1.13 – Расчетная конструктивно-технологическая модель дифференциального с круглым отверстием аттенюаторного преобразователя перемещения Рисунок 1.14 – Общий вид ВОД избыточного давления с предельным Мембрана с аттенюатором устанавливается в корпус и соединяется с ним сваркой. Отверстие в аттенюаторе 0,5 мм выполняется после установки мембраны в корпусе блока.

После укладки волокон ВОК мембранный блок устанавливается в корпус 4, в котором производится выемка для укладки волоконно-оптического кабеля.

Корпус датчика сборный, состоит из двух частей, соединенных между собой с помощью сварки. Штуцер 3 и корпус 4 выполнены из стали 12Х18Н10Т. Штуцер 3 устанавливается в корпус датчика, затем протягивают кабель. Свободное пространство штуцера заполняется компаундом «Виксинт»

или герметиком.

Согласующее устройство представляет собой держатель 6, в который вклеены светодиод 7, фотодиоды 8 первого и второго измерительных каналов.

Фотоблок присоединяется к БПИ с помощью розетки типа МР1-10-5-В. К контактам розетки подпаиваются выводы светодиода и фотодиодов.

С целью повышения герметичности штуцера 3 паз в верхней части корпуса 4 смещен вниз, а также для того, чтобы при сварке штуцера и корпуса уменьшить вероятность повреждения волокна вследствие высокой температуры. Для упрощения процесса юстировки назначены жесткие допуска на соосность отверстий в мембранном блоке. Габаритные размеры датчика 35х45х40 мм. Длина волоконно-оптического кабеля 2 … 200 м.

Данное техническое решение в результате модернизации может быть использовано в качестве элемента разрабатываемых ВОСИУЖС. Модернизация заключается в адаптации конструкции к решаемой задаче, изменению технологии сборки и юстировки отдельных элементов датчика, а также к совершенствованию процесса расчета его конструктивно-технологических параметров (см. главу 2).

Основные выводы и результаты 1 Теоретическая проработка и анализ существующих методов измерения уровня жидкости показали, что в настоящее время отсутствуют простые малогабаритные средства измерения уровня жидкости, позволяющие с высокой точностью проводить измерения в искро-взрыво-пожароопасных условиях эксплуатации.

2 Специфику выбора предмета исследований определяют требования уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на ИТО, абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, механических факторов, перепадов температур, повышения технологичности конструкции ВОСИУЖС.

3 Рассмотрены базовые конструктивно-технологические решения волоконно-оптических сигнализаторов, дифференциальных волоконнооптических преобразователей микроперемещений аттенюаторного типа датчиков гидростатического давления и многоточечного волоконнооптического уровнемера, которые являются элементами разрабатываемых ВОСИУЖС после модернизации. Модернизация заключается в адаптации их конструкций к решаемой задаче, совершенствованию процесса расчета их конструктивно-технологических параметров, изменению технологии сборки и юстировки отдельных элементов датчика.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ОПТИЧЕСКОМ ТРАКТЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД

2.1 Распределение светового потока в оптическом тракте волоконно-оптической системы измерения уровня жидкостных сред Одним из основных конструктивно-технологических элементов ВОСУЖ, влияющим на его метрологические характеристики, является узел юстировки ввода оптического излучения от источника излучения в подводящие оптические волокна, по которым далее световой поток поступает в зону среды давления. Эффективность ввода определяется несколькими параметрами как конструктивного, так и технологического характера.

определенные трудности, обусловленные несогласованностью параметров источника излучения (например, светодиода) и подводящего оптического волокна. Количество введенной в ОВ энергии существенно зависит от его числовой апертуры NА. Так как ОВ захватывает только те лучи, которые заключены внутри конуса с максимальным углом NA, то потери на ввод будут иметь место, если конус излучения источника излучения (ИИ) превышает конус, определяемый числовой апертурой ОВ.

светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые инжекционные лазеры (ПЛ).

Диаграмма направленности излучения серийно выпускаемых СИД отличается неравномерностью по взаимно перпендикулярным осям Y и Z в сечении А–А, перпендикулярном продольной оси Х (рисунок 2.1,а) [44].

Рисунок 2.1 Формы пучка излучения: а СИД с поверхностным излучением;

б полупроводникового лазера; в СИД с торцевым излучением Картина поля в дальней зоне для выходного пучка ПЛ представляет собой эллипсоид, расширяющийся в направлении, перпендикулярном поверхности р-n-перехода лазера (рисунок 2.1, в). Угол расходимости светового пучка в направлении, перпендикулярном поверхности перехода, =30 60, а в направлении, параллельном поверхности перехода, =10 30.

В СИД с торцевым излучением в направлениях, лежащих в плоскости пучка перехода, имеет место расширение пучка излучения в соответствии с законом Ламберта [44]. В направлениях, перпендикулярных плоскости перехода, угол излучения сравнительно небольшой (рисунок 2.1, б).

Диаграммы направленности излучения, создаваемые поверхностью СИД показаны на рисунке 2.2 [44].

Рисунок 2.2 Угловая диаграмма направленности излучения:

1 – светодиода поверхностного типа; 2 – электролюминесцентного светодиода с торцевым излучением; 3 – светодиода 3Л107Б Распределение излучения диода поверхностного типа аппраксимируется распределением по cos (кривая ), то есть они являются ламбертовскими источниками. Интенсивность излучения падает приблизительно вдвое при угле 120.

Распределение СИД с торцевым излучением аппраксимируется распределением по (cos )n, где n = 1, 2, …, то есть более направленное (кривые Потери при вводе излучения в ОВ у СИД с торцевым излучением на несколько децибел меньше, чем у СИД с поверхностным излучением (рисунок 2.3).

1 – СИД с поверхностным излучением; 2 – СИД с торцевым излучением Рисунок 2.3 Расчетные значения потерь при непосредственной связи СИД с ОВ Непосредственный ввод излучения Эффективность ввода излучения при этом может быть определена непосредственно [49].

источника излучения в плоскости входного торца ОВ меньше или равна площади торца ОВ или жгута (то есть отсутствует рассогласование по площади), то мощность, введенная в ОВ, равна [39] где SИИ – площадь излучающей площадки источника, см2;

В( ) – энергетическая яркость ИИ, Вт/см 2 ср;

где SОВ – суммарная площадь поперечного сечения ОВ в жгуте;

Для случая, когда угловое распределение яркости источника излучения излучаемая источником в полусферу, определяется выражением Введенная в ОВ мощность излучения для малых NА равна При соединении с единичным ОВ коэффициент упаковки kУ=1. Таким образом, коэффициент ввода КИС пропорционален квадрату числовой апертуры ОВ:

Поскольку числовая апертура меньше единицы (от 0,14 до 0,5), то значительное количество излучаемой мощности может теряться на входном соединении.

Ввод излучения с применением линзы аналогии с выражением (2.1), равна [39] Для ИИ с угловым распределением излучения B( ) = B(соs )n собираемая линзой, равна Для тонкой линзы [12]:

где V – увеличение линзы;

f – фокусное расстояние линзы;

dИИ – диаметр источника излучения;

DЛ – диаметр линзы.

Распределение мощности светового потока в пространстве зоны измерения ВОСИУЖ Угловое распределение яркости излучающего торца ПОВ описывается зависимостью ВОВ() = В(cos)n [39]. Из-за усреднения освещенности по выходному торцу ОВ излучающей торец ОВ можно считать источником с однородным распределением излучения по всей площади, т.е. n=1. Причем =NA, поэтому ВОВ()=ВcosNA.

выражениями [39]:

где SОВ – площадь сердцевины ОВ, см2;

ВОВ – энергетическая яркость ОВ, Вт/(см 2 ср).

Для эффективного ввода светового потока в ОЧЭ будем учитывать следующие свойства распространения светового потока на выходе ОВ:

- распространение с каждой точки торца ОВ имеет вид, как показано на рисунке 2.1, где = 2NA – угол при вершине конуса, NA - апертурный угол оптического волокна;

- распространение света во всех направлениях симметричное;

- световой поток состоит из лучей, лежащих в одной плоскости. Данные лучи образуют два множества параллельных лучей [44, 45].

Рисунок 2.4 - Распространение света с каждой точки торца ОВ Исходя из этого, модель распространения света можно строить в одной плоскости, тогда освещенность в плоскости, параллельной плоскости торца ОВ, отстоящей на расстоянии Xi, будет носить в исследуемых областях однородный характер.

С учетом вышесказанного построена модель в некоторой плоскости (рисунок 2.5), где кр - дистанция формирования светового пучка, A, dc – апертурный угол и диаметр сердцевины ОВ соответственно [45]. Система координат выбрана так, как показано на рисунке 2.6.

Рисунок 2.5 – Геометрические построения к выводу математической модели распределения светового потока в ВОП отражательного типа Определим внешний радиус Rвн и внутренний радиус rвнут освещенной кольцевой зоны К на расстоянии Xi.

Очевидно, что при Xi кр, внутренний радиус rвнут ничтожно мал, поэтому принимаем rвнут=0, а внешний радиус Тогда при Xi > кр распределение светового потока внутри кольца К, находящегося в пределах будет однородно и будет рассчитываться в каждой точке в зависимости от расстояния Xi. Вне этого кольца интенсивность будет равна нулю.

Внутренний радиус кольца будет:

Теперь при Xi кр введем величину rвнут – радиус сечения конуса, где интенсивность складывается от двух непараллельных лучей 1 и 2 (см. рисунок 2.4). Тогда В результате получим распределение интенсивности IXi в данной зоне:

где IXi интенсивность в точке М(Xi, у).

Дистанция формирования светового пучка определяется как Интенсивность I X рассчитывается как освещенность от отдельного луча, где В – яркость излучения, Вт/(см2ср).

Теперь рассмотрим пространственный случай.

Определим интенсивность в точке М (Xi, y0, z0) (рисунок 2.7).

Интенсивность в точке М(Xi,y0,z0), находящейся на расстоянии Xi от плоскости, в которой расположены излучающие торцы ОВ, будет складываться из интенсивностей точек окружности, лежащей в плоскости. В связи с тем, что при прохождении светового потока по ОВ происходит его симметризация относительно оптической оси, то каждая точка окружности излучает световые лучи 1, 2, … i под апертурным углом NA. Т.е. каждая точка торца ОВ излучает световой поток в виде полого расходящегося конуса, угол При этом возможны два случая:

1 окружность целиком лежит внутри поверхности торца ОВ (рисунок 2.8 а);

2 окружность занимает часть поверхности торца ОВ (рисунок 2.8 б).

Интенсивность в точке М от части окружности будет выражаться криволинейным интегралом:

где ds – дифференциал длины дуги окружности.

Находим интеграл по дугам AmB и BnA (рисунок 2.9):

ds будем вычислять численным методом. Для этого введем систему координат OXZ, таким образом, что центр ОВ совпадет с началом координат (рисунок 2.5 а).

Найдем уравнение окружности, которое будут зависеть от Хi и от координаты точки М(Xi, y0, z0):

где R = X i2 tg2NA радиус окружности.

Представим уравнение окружности в параметрическом виде:

Распишем интеграл по квадратурным формулам:

где к = к+1 – к, равен длине дуги окружности, попадающей на торец ОВ;

к = 0,…, u-1 – количество длин отрезков.

При этом будем полагать к = 0 при Распределение интенсивности в разных сечениях светового пучка (рисунок 2.10) в зависимости от Хi будет иметь вид:

а) сечение А-А при 0< Х1 кр (рисунок 2.11, в).

В зависимости от расстояния Хi, соотношение длин a, b - зон постоянной интенсивности будут меняться (см. рисунок 2.11). Т.е случай, рассмотренный ранее (случай распределения в некоторой плоскости), есть аппроксимация пространственного случая ступенчатыми функциями.

Рисунок 2.11 - Распределение интенсивности в разных сечениях В то же время данный участок целесообразно использовать в ВОП релейного типа: в сигнализаторах уровня жидкости, так как из-за неравномерного распределения светового потока обеспечивается резкий перепад сигнала, что в данном случае является необходимым.

При конструировании ВОС ОЧЭ следует располагать на расстоянии Xi>кр, где кр – расстояние формирования светового пучка, так как:

1 по всей плоскости торца стержня распределение будет однородным за исключением одной точки (луч от данной точки не выйдет, так для точек, лежащих около оптической оси, потеря интенсивности будет максимальна). Что позволяет проводить более простые расчеты;

2 при Хi < кр - распределение на торце:

а) неравномерное;

б) уменьшается подача светового потока в зону измерения, что ведет к малому выходному сигналу.

Наконец, при некотором положении Хi = а > кр световой поток не будет попадать в зону измерения (в нашем случае на входной торец ОЧЭ).

При конструировании дифференциальных ВОДГД аттенюатор следует располагать на расстоянии большем, чем кр, так как:

1 распределение будет равномерным, что дает возможность исключить нелинейность и управлять поведением функции преобразования в диапазоне регистрации, проводить более простые расчеты;

2 при расположении Хi < кр распределение на торце неравномерное и данный участок не рекомендуется для измерительных преобразователей, имеющих функцию преобразования непрерывного типа. В то же время данный участок целесообразно использовать в измерительных преобразователях релейного типа;

3 при Хi = а > кр световой поток не будет попадать на модулирующий элемент.

2.2 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе уровня с управляющим элементом в виде границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломления Базовым технологическим узлом волоконно-оптического сигнализатора (ВОC) является волоконно-оптический преобразователь уровня (ВОПУ), представляющий собой конструктивно-технологическую совокупность определенным образом расположенных относительно друг друга подводящих и отводящих оптических волокон и оптического чувствительного элемента (ОЧЭ).

оптимальных конструктивно-технологических параметров оптической системы (для ВОПУ (см. рисунок 3.5) – это расстояния от ОВ до цилиндрического стержня, размеры стержня: диаметр, длина, при которых достигаются выполнение и нарушение условия полного внутреннего отражения (ПВО). Для этого рассматриваются вопросы распределения мощности светового потока в пространстве ВОУ.

При проектировании ВОС возникают проблемы, связанные с потерями светового потока в местах соединения ОЧЭ с торцами ПОВ и ООВ, а также в самом ОЧЭ, что приводит к низким метрологическим характеристикам.

чувствительного элемента.

Для достижения высоких метрологических характеристик необходимо, чтобы соотношение значений конструктивных параметров ОЧЭ обеспечивало максимальный перепад оптического сигнала (в случае контакта с жидкостью и отсутствии контакта), минимальные информативные потери в зоне измерения и попадание лучей от подводящего оптического волокна в отводящие оптические волокна при отсутствии контакта ОЧЭ с жидкостью.

Длину L оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) - стержня определим с помощью следующего выражения, согласно геометрическим построениям, приведенным на рисунке 4.6 [65].

где NA – апертурный угол оптического волокна (ОВ), n1 – показатель преломления ОЧЭ, n0 – показатель преломления среды (воздуха), n0=1, n – показатель преломления исследуемой жидкости, dc – диаметр сердцевины ОВ, do – диаметр оболочки ОВ.

R – радиус шарового сегмента ОЧЭ, обращенного в сторону измеряемых – угол отражения от шарового сегмента Отношение L/R должно отвечать условию [65]:

Материал ОЧЭ, из которого он изготовлен, должен отвечать условию Отношение диаметров оптического волокна должно быть dо/dс = 2,5.

Результаты расчетов по формуле (2.23) с учетом условия (2.24) для жидкостей с коэффициентом преломления n > 1,25 показали, что максимальный перепад сигнала достигается, если световой поток переотражается от шарового сегмента ОЧЭ под углом, равным При отсутствии контакта ОЧЭ с жидкостью при падении луча под углом на шаровой сегмент происходит полное внутреннее отражение, и луч отражается от шарового сегмента под углом где отр – угол отражения от шарового сегмента.

Для углов падения, приведенных в выражении (2.22) и отвечающих выражению (2.25), было получено sinотр.>1. Это означает, что имеет место полное внутреннее отражение [19].

При контакте ОЧЭ с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения, часть светового потока выходит из стержня под углом где вых – угол преломления.

Рассмотрим оптическую систему «ПОВ – ОЧЭ - ООВ» и проследим, как влияет каждый параметр формул (2.21) и (2.22) на характер распространения светового потока в данной оптической системе.

Определив конструктивные параметры ОЧЭ, а именно длину L из выражения (2.20) и радиус шарового сегмента R, удовлетворяющего условию (2.21), располагаем торец ОЧЭ на расстоянии Xi от общего торца ОВ (рисунок 2.12). Расстояние Xi должно удовлетворять условию Xi >, где – дистанция формирования светового пучка.

В.СР Лучи выходят из сердцевины подводящего оптического волокна под углом NA (см. рисунок 2.12). При этом центр ПОВ и центр ОЧЭ находятся на одной оси ОО1.

Лучи 1, 2 и 3, 4, которые выходят из сердцевины ПОВ из точек А, А под углом NA, проходят расстояние Xi и падают на плоский торец ОЧЭ под углом NA. От конструктивного параметра Xi зависит, какое количество световой энергии попадет в ОЧЭ. При этом стремятся, чтобы распределение светового потока на входном торце ОЧЭ было равномерным, что в дальнейшем упрощает математические расчеты. Это возможно в случае Xi >, где дистанция формирования светового пучка зависит от параметров dо, dс.

Следует учитывать, что при Xi < распределение светового потока на торце ОЧЭ неравномерное.

Лучи 1, 2 и 3, 4 преломляются и распространяются по ОЧЭ под углом, который определяется с помощью закона Снеллиуса и равен Угол зависит от конструктивных параметров n0, n1, NA. В зависимости от длины L, радиуса R, расстояния Xi, диаметров ОВ dс, dо, лучи 1, 2 и 3, 4 могут сразу падать на сферическую поверхность под углами: луч под углом 1, луч 2 под углом 2. Лучи 3, 4 проходят такой же путь, как и лучи 1, 2 соответственно (из-за симметрии относительно оси ОО 1), под углом (рисунок 2.13).

После одного или нескольких отражений лучей 1, 2 и 3, 4 под углом (рисунок 2.14, 2.15) от цилиндрической поверхности ОЧЭ падают на Возможны варианты прохождения светового потока в зависимости от длины L, радиуса R, расстояния Xi, диаметров dс, dо:

1) когда один из лучей падает на цилиндрическую поверхность под углом, затем на сферическую, а другой сразу падает на сферическую поверхность (рисунок 2.16).

2) когда лучи 1, 2 и 3, 4 падают сначала на цилиндрическую поверхность под углом, потом один из лучей падает на сферическую поверхность, а другой лишь после отражения от цилиндрической поверхности под углом (рисунок 2.17).

лучи 1, 2 и 3, 4 возвращаются обратно, т.е. могут после отражения от сферической поверхности в зависимости от длины L, радиуса R, расстояния Xi, диаметров ОВ dс, dо сразу падать на плоский торец стержня (рисунок 2.18), а могут и после одного отражения от цилиндрической поверхнос ти под нескольких отражений от цилиндрической поверхности (рисунок 2.20), затем падают на плоский торец ОЧЭ при этом количество отражений под углами 1) один луч сразу после сферической поверхности падает на плоский 2.21).

2) когда лучи 1, 2, 3, 4 падают сначала на цилиндрическую поверхность под углами 2, потом один из лучей падает на плоский торец ОЧЭ, а другой после нескольких отражений от цилиндрической поверхности ОЧЭ Лучи 1, 2, 3, 4, достигшие плоского торца ОЧЭ, падают на него под преломляются и распространяются под углами Преломленные лучи проходят расстояние Xi до плоскости Н и падают на нее, образуя в этой плоскости зону освещенности.

Зона освещенности определяется из геометрических построений, приведенных на рисунке 2.23.

После определения зоны освещенности определяется площадь Sпр, оптического волокна dc с освещенной зоной кольца радиусом Rвнеш с отверстием Rвнутр (сечение А-А рисунок 2.12).

Ниже на рисунках 2.23, 2.24 представлены два примера прохождения лучей по оптической системе «ПОВ – ОЧЭ - ООВ» при различных параметрах n, n0, n1, NA, L, R, Xi, d0, dc.

Проследив характер поведения светового потока в оптической системе «ПОВ - ОЧЭ - ООВ» в зависимости от конструктивных параметров (2.20) можно сделать вывод, что для обеспечения нужного значения угла падения, удовлетворяющего выражению (2.25), при котором выполняется и нарушается условие полного внутреннего отражения при отсутствии контакта с жидкостью и при контакте с жидкостью соответственно, рассчитывают конструктивные параметры L, R по формулам (2.20) и (2.21).

Параметры L, R, отвечающие условию (2.23), обеспечивают максимальный перепад оптического сигнала и минимальные информативные потери в зоне измерения.

Для надежной работы сигнализатора необходимо найти значения конструктивных параметров ОЧЭ, обеспечивающих максимальный перепад между оптическими сигналами ОЧЭ в погруженном и непогруженном состояниях:

где Ф1, Ф2 – интенсивности светового потока на выходе ОЧЭ, находящегося в газовой среде и жидкости соответственно [19].

Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Рисунок 2. Построим математическую модель распространения светового потока в ОЧЭ и исследуем влияние на математическую модель изменения конструктивных параметров ОЧЭ, а именно:

- длины L, радиуса R1 ОЧЭ;

расстояния Xi от ПОВ (ООВ) до ОЧЭ.

Для построения модели необходимы следующие справочные данные:

NA – апертурный угол ОВ;

n1 – показатель преломления ОЧЭ;

n0 – показатель преломления среды (газа - воздуха), n0=1;

n – показатель преломления исследуемой жидкости;

dc– диаметр сердцевины ОВ;

do – диаметр оболочки ОВ.

Вследствие того, что ход лучей во всех направлениях одинаков, при построении модели будем рассматривать прохождение лучей в некоторой плоскости. Такое допущение позволяет несколько проще построить данную модель, что ни в коей мере не накладывает ограничений на ее использование, так как трехмерная картина распределения интенсивности света при выходе из ОЧЭ получается вращением графика одномерной функции распределения интенсивности вокруг оси симметрии. Для построения модели используются методы аналитической геометрии на плоскости. Введена система координат Oxy (рисунок 2.26) [65].

Рассмотрим точку M (L, y0), через которую проходит луч из сердцевины ПОВ. В зависимости от перечисленных параметров найдем координаты точки M'(L+Xi, y') находящейся на общем торце ООВ и ПОВ. Для этого построим уравнения лучей.

Уравнение первого луча [20]:

где k = – tg, где угол находится с помощью закона Снеллиуса [12]:

ПОВ ООВ

В зависимости от конструктивных параметров ОЧЭ, рассматриваемый луч света может сразу падать на сферическую поверхность, а может после одного или нескольких отражений от цилиндрической поверхности ОЧЭ [45]. Поэтому ставится условие и проверяется попадание луча на окружность (сферическую поверхность ОЧЭ):

Пока это условие не выполняется, отражение луча будет происходить от цилиндрической поверхности ОЧЭ, уравнения которых будут иметь вид:

где bm = ym-1 – (–1)mkxm-1, где (xm-1, ym-1) – найденная точка отражения от стенки ОЧЭ.

Далее рассчитывается ход лучей по окружности с учетом, что они проходят по одинаковым хордам. Для этого для каждого луча рассчитывается центральный угол где P – расстояние от луча, падающего на окружность до ее центра (начала R1 – радиус окружности.

Тогда координаты точек отражения от окружности будут иметь вид:

Луч будет проходить по сфере, пока выполняется условие: xi 0.

После чего луч, прошедший сферическую поверхность возвращается обратно и, в зависимости от конструктивных параметров, возможны варианты: когда луч сразу будет падать на плоский торец ОЧЭ, а может после одного или нескольких отражений от цилиндрической поверхности ОЧЭ. Уравнение лучей рассчитывается аналогично, как и до попадания его на окружность.

Условие выхода на торец ОЧЭ имеет вид:

где y' k' x b' – уравнение отраженного луча от одной из стенок ОЧЭ В случае выхода луча из окружности В результате уравнение выходящего луча с торца ОЧЭ будет иметь вид:

Тогда при x = L + Xi получим координату y точки M' (L+Xi, y), которая в общем случае будет являться функцией многих переменных, а именно:

Получив таким образом координаты точки M' (L+Xi, y), находят в ней интенсивность света по отношению к первоначальной, которая будет находиться по рекурсивной формуле [20]:

где интенсивность света при вхождение в ОЧЭ после преломления, где Фк – интенсивность при k = 1…N –ом отражении;

N – число отражений, которое определяется для каждого луча отдельно, непосредственно в процессе моделирования;

~ угол падения на границу раздела двух сред;

~' угол преломления на границе раздела двух сред.

Если луч падает на окружность, когда ОЧЭ не погружен в жидкость:

В случае, когда луч падает на сферическую поверхность ОЧЭ и она находится в соприкосновении с жидкостью, имеем:

/2 –, при отражении луча от стенки стержня до окружности;

Причем ~ /2 – ', при отражении луча от стенки стержня после окружности.

При выходе с торца стержня интенсивность будет составлять:

В результате получены две функции распределения интенсивности вида:

- без соприкосновения ОЧЭ с жидкостью:

- при соприкосновении ОЧЭ с жидкостью:

ограничивающие кольцо засветки. Вычисляя минимальное и максимальное значения функции (2.3), находят предельные значения для внутреннего и внешнего радиусов, ограничивающие кольцо K ' : R' внут=min y и R' внеш=max y:

Введем величину Фп – порог чувствительности – минимальное допустимое значение интенсивности. Вычисляя в полученном кольце K' интенсивность распределения света, будем отбрасывать те точки кольца K', в которых Ф' < Фп. В результате получим два кольца K 1, который характеризует область засветки до контакта ОЧЭ с жидкостью, и K 2, который характеризует область засветки при контакте ОЧЭ с жидкостью:

- без соприкосновения с жидкостью:

- с соприкосновением с жидкостью:

ВНУТ ВНЕШ

Для определения состояния ВОСУЖ (есть контакт с жидкостью, нет контакта с жидкостью) рассмотрим функционал где Ф0 - интенсивность света при вхождение в ОЧЭ;

= (NA, L, R1, Xi, n1, dо, dc) – вектор состояния, координаты которого – конструктивные параметры ВОСУЖ;

n – показатель преломления среды (жидкости или воздуха).

интенсивность света от своих аргументов.

В этом случае задача сводится:

- в случае контакта с жидкостью, нахождение его минимума (максимума);

- в случае без контакта с жидкостью, нахождение его максимума (минимума), в зависимости от вектора состояния сигнализатора.

Тогда где D - есть область пересечения области кольца К и области – ООВ, представляющая собой площадь сердцевин ООВ (см. рисунок 2.13).

Введен еще один функционал S = S(n, n0, n1, NA, L, R1, Xi, dо, dc), который равен площади засветки ООВ, т.е. S = S(K) - площадь кольца.

Площадь засветки найдена как (см. рисунок 2.13) [45] Для S1 : x S'1 и S' 2 определяются как:

где x' x d о.

Для S 2 : x S' '1 и S' '2 определяются как:

В результате получены функции преобразования:

- по интенсивности распределения светового потока на ООВ:

- по площади засветки ООВ:

2.3 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе гидростатического давления с модулирующим элементом в виде аттенюатора Гидростатическое давление среды воспринимается упругим элементом (мембраной) с закрепленным на нем дифференциальным предельным аттенюатором (непрозрачный экран) с круглым отверстием (см. п. 1.4). При прогибе мембраны под действием давления аттенюатор смещается относительно подводящих и отводящих волокон, что ведет к изменению интенсивности светового потока, поступившего в отводящие оптические волокна. Таким образом, базовым измерительным преобразователем является дифференциальный волоконно-оптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП).

Экспериментально доказана эффективность аттенюатора с круглым отверстием: он обеспечивает повышение чувствительности преобразования оптического сигнала в 2...3 раза по сравнению с другими вариантами исполнения аттенюатора [75]. Соответственно данный вариант исполнения дифференциального аттенюатора рекомендуется к применению в дифференциальном ВОДГД аттенюаторного типа. Поэтому рассмотрим принцип действия ВОДГД дифференциального типа именно с предельным аттенюатором с круглым отверстием, расчетная конструктивнотехнологическая модель которого приведена на рисунке 1.12, а также определим для него функцию преобразования [72, 76].

Функция преобразования ВОПМП зависит от способа модуляции оптического сигнала в зоне регистрации физического параметра. В ВОПМП с предельным аттенюатором модуляция оптического сигнала осуществляется за счет перекрытия части светового потока перемещающимся непрозрачным экраном.

Функция преобразования Ф(Z) ВОПМП с предельным аттенюатором с круглым отверстием запишется:

где К0 - коэффициент, характеризующий распределение освещнности в зоне регистрации физической величины;

КАТ (Z) - коэффициент передачи тракта «подводящее оптическое волокно ПОВ – аттенюатор – отводящее оптическое волокно ООВ»;

Ф0 - начальный световой поток на выходе ПОВ.

преобразования, необходимо, чтобы коэффициент К0 был равен 1. Очевидно, что при К0=1 функция преобразования Ф(Z) оценивается по поведению функции передачи оптического тракта, т.е. коэффициента КАТ (Z).

Технологическая схема компоновки оптических волокон в общем торце волоконно-оптического кабеля ВОПМП датчика при модуляции светового потока для аттенюатора с круглым отверстием, перемещающимся вдоль оси Z, представлена на рисунке 2.27.

При соосном расположении ПОВ и ООВ где где SZi - освещнная часть поперечного сечения сердцевины ООВ;

SC - площадь поперечного сечения сердцевины ОВ;

SА-А - площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А расположения примных торцов ООВ.

Рисунок 2.27 – Технологическая схема компоновки оптических волокон в общем торце волоконно-оптического кабеля преобразователя микроперемещений ВОДГД с предельным аттенюатором с круглым отверстием В соответствии с рисунком 2.27:

где RВНЕШ, RВНУТ – внешний и внутренний диаметры, соответственно, поперечного сечения светового потока в плоскости А–А где dОВ – диаметр ОВ;

радиус сердцевины ОВ.

Соответственно, то есть определяется параметрами выбранного оптического волокна.

Подставив выражения (2.35) - (2.37) в (2.34), получим Площадь сечения SZ зависит от смещения аттенюатора в направлении Найдем в качестве примера SZ для ООВ3:

Площадь SZ3 представляет собой сумму площадей двух круговых секторов S13 и S23, образованных взаимным пересечением двух окружностей:

радиусом rC, равным радиусу сердцевины ОВ, и радиусом RCП, равным радиусу светового потока, прошедшего через отверстие в аттенюаторе в плоскости расположения приемных торцов ООВ. Причем где L – расстояние между излучающим торцом ПОВ и плоскостью, в которой расположены приемные торцы ООВ;

апертурный угол ОВ.

Расстояние L выбирается таким образом, чтобы световой поток в плоскости А–А полностью перекрывал торцы ООВ в нейтральном положении шторки (при Z = 0). Из треугольника MNF находим тогда RCП = dОВ.

В соответствии с рисунком 2. Соответственно Тогда с учтом выражений (2.38) - (2.43) для SZ3 получим:

По аналогии с определением SZ3 находим SZi, имеем где i = 1,..., n; где n – количество отводящих оптических волокон.

Анализ выражений (2.44), (2.45) показал, что они отличаются параметрами аi. Найдем параметры аi.

В качестве примера найдем а3(I) третьего ООВ первого канала ООВ3(I) (волокна расположены выше оси Y) [80].

Из треугольника А3О3(I)ОZ По аналогии с определением а3 и D3 находим аi и Di, где i = 1,..., n, где n – количество отводящих оптических волокон, имеем В общем случае, когда имеется n ООВ, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси, расстояние Di(I) первого канала для волокон, расположенных выше оси Y (см. рисунок 2.27), рассчитывается по формуле (2.48), а для волокон второго канала, расположенных ниже оси Y - по формуле (2.49).

Для случая, когда имеем шесть ООВ, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси (в центре расположено седьмое технологическое волокно, обеспечивающее симметричность конструкции кабеля), формулы (2.48) и (2.49) перепишутся:

С учетом выражений (2.48) - (2.43), (2.49) выражение (2.43) для одного канала (например, первого) перепишется:

где аi, Di определяются выражениями (2.43) – (2.49), RCП - выражением (2.40).

Анализ выражения (2.52) показывает, что вид функции преобразования ВОПМП с дифференциальным аттенюатором определяется следующими параметрами:

– радиусом сердцевины rC, внешним диаметром dОВ, апертурным углом ОВ (т.е. типом используемых ОВ);

– количеством n ООВ;

– расстоянием L между подводящими и отводящими волокнами Основные выводы и результаты 1 Определено, что одним из основных конструктивно-технологических элементов ВОСИУЖС, влияющим на их метрологические характеристики, является узел юстировки ввода оптического излучения от источника излучения в подводящие оптические волокна, по которым световой поток поступает в зону измерения.

2 Определены условия эффективного ввода оптического излучения в оптический канал. Для этого рассмотрены вопросы распределения мощности светового потока в пространстве оптической системы, проведен анализ математического аппарата лучевой теории распространения и преобразования света в оптическом канале ВОСИУЖС.

3 Доказано, что учет распределения плотности мощности по сечению пучка света и характера изменения структуры излучения в зоне среды позволяет определить оптимальное местоположение оптических модулирующих элементов относительно рабочих торцов ОВ.