Содержание общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 9 Брюханов В. А. 9
Вид материала | Доклад |
- Вопросы по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для подготовки, 69.28kb.
- Организационной основой метрологического обеспечения ОАО «Теплоприбор» является Центр, 31.48kb.
- Совершенствование метрологического обеспечения инклинометрии нефтегазовых скважин 25., 254.4kb.
- Решение IX семинара по вопросам метрологического обеспечения топографо-геодезического, 201.85kb.
- Эталонный комплекс для метрологического обеспечения акустических измерений в твердом, 58.45kb.
- Экзаменационные вопросы по дисциплине «Измерительная техника», 40.7kb.
- Методика приемки из наладки в эксплуатацию измерительных каналов информационно-измерительных, 235.63kb.
- Отдел метрологического обеспечения измерений физико-химических величин, 18.17kb.
- Рабочая программа дисциплины мерительные устройства систем управления, 448.87kb.
- Анализ и синтез измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных, 675kb.
Цифровой измеритель давления
с управляемым волоконно-оптическим сенсором
В последние 10 лет в России и в Украине активно развиваются новые методы и средства измерений давления с использованием волоконно-оптических сенсоров давления (ВОСД). Если научные школы России развивают преимущественно прямые оптико-электронные (ОЭ) методы измерений давления с использованием структурных методов повышения точности измерений и методов поэлементной коррекции, то учёные Украины успешно развивают ОЭ методы избыточных измерений (МИИ) давления с автоматической коррекцией погрешностей.
Анализ исследований и публикаций
Среди амплитудных ВОСД большую группу составляют ВОСД рефлексометрического типа, в которых модуляция потока оптического излучения осуществляется за счёт изменения расстояния между зеркальной поверхностью мембраны, являющейся чувствительным элементом ВОСД, и торцами световодов подводящих и отводящих оптическое излучение [1].
Обобщённая структурная схема цифрового измерителя давления (ЦИД), реализующего ОЭ метод измерения давления, включает в себя, как правило, ВОСД, источник оптического излучения, фотоприёмник, волоконно-оптический кабель (ВОК), образованный из подводящих и отводящих оптическое излучение световодов, преобразователь “напряжение-код” (ПНК) и цифровое отсчётное устройство (ЦОУ).
Основными составляющими систематической погрешности результата измерения давления с помощью ЦИД являются [1]:
– погрешность от нелинейности функции преобразования (ФП) ВОСД;
– погрешность от нелинейности ФП фотоприёмника;
– температурная погрешность, обусловленная: а) линейным расширением конструктивных элементов ВОСД (например, мембраны) при изменении температуры окружающей среды; б) температурной нестабильностью характеристик источника оптического излучения; в) температурной нестабильностью характеристик фотоприёмника.
Традиционным методом уменьшения погрешностей от нелинейности ФП ВОСД и фотоприёмника является кусочно-линейная аппроксимация ФП с последующим выбором участков, на которых обеспечиваются минимальное значение погрешности аппроксимации и максимальное значение крутизны преобразования [2].
Для уменьшения температурной погрешности ВОСД используется ряд конструктивных способов: введение в конструкцию ВОСД дополнительного компенсирующего канала; использование в ВОСД металлической прокладки, материал которой имеет температурный коэффициент линейного расширения отличный от коэффициента линейного расширения материала мембраны; введение в конструкцию ВОСД коллимирующей линзы, формирующей параллельный ход лучей в сторону мембраны [3–5].
Для компенсации погрешности, обусловленной температурной нестабильностью характеристик источника оптического излучения используют просветляющие термостабилизирующие покрытия. Задача температурной стабилизации характеристик фотоприёмника, чаще всего, решается путём термостатирования его чувствительного элемента или путём использования разных схемотехнических решений [6].
Наиболее эффективными методами уменьшения систематической погрешности результата измерениq давления являются ОЭ МИИ. В работах [7, 8] показано, что ОЭ МИИ давления обеспечивают автоматическую коррекцию погрешности от нелинейности ФП фотоприёмника, а также составляющих температурной погрешности, обусловленных нестабильностью характеристик источника оптического излучения и фотоприёмника.
Постановка задачи
Задачей исследования является изучение возможностей создания ЦИД с управляемым ВОСД, реализующего ОЭ МИИ давления и обеспечивающего автоматическую коррекцию погрешности от нелинейности ФП ВОСД и всех составляющих температурной погрешности.
Целью исследования является создание ОЭ МИИ давления и соответствующего технического решения ЦИД, обеспечивающих решение поставленной задачи.
Решение поставленной задачи и полученные результаты
Решение поставленной технической задачи осуществлялось по следующим четырём направлениям: а) разработка конструкции управляемого ВОСД; б) изучение процесса модуляции мощности потока оптического излучения и вывод аналитического выражения для ФП ВОСД; в) описание процесса измерительного преобразования давления в электрический сигнал и вывод ФП измерительного канала ЦИД; г) описание сущности МИИ давления и технического решения ЦИД.
Конструкция и принцип действия управляемого ВОСД
В качестве сенсора в предлагаемом техническом решении ЦИД используется модифицированный рефлексометрический ВОСД на едином подводяще-отводящем световоде (ПОС) [9], конструкция которого приведена на рис. 1, где 1 – штуцер; 2 – мембрана; 3 – корпус; 4 – пьезоэлектрический элемент тороидальной формы; 5 – посеребренный контактный элемент; 6 – диэлектрическая втулка; 7 – функциональный держатель; 8 – ПОС; 9 – наконечник; 10 – электрический разъём; 11 – световодный соединитель (СС); 12 – ВОК; 13 – световодный ответвитель (СО).

Рис. 1. Конструкция управляемого ВОСД
Мембрана 2 имеет зеркальную внутреннюю поверхность и выполнена за одно целое со штуцером 1. Штуцер 1 соединён с корпусом 3 при помощи сваривания. Напротив зеркальной поверхности мембраны 2 на нормированном по значению расстоянии



Для исключения выпадения росы или конденсата на зеркальной поверхности мембраны внутренняя полость ВОСД заполняется инертным газом аргоном [1]. Давление газа аргона во внутренней полости ВОСД устанавливается по своему значению равным

Принцип действия ВОСД заключается в следующем. От источника оптического излучения (на рис. 1 не показан) поток оптического излучения

В зависимости от значения давления






Особенностью предложенной конструкции ВОСД является то, что она обеспечивает получение информативной избыточности за счёт увеличения расстояния между мембраной 2 и торцом ПОС 8 на нормированное по значению приращение






Увеличение расстояния между мембраной 2 и торцом ПОС 8 обеспечивают за счёт увеличения ширины пьезоэлектрического элемента 4 под действием электрического поля, создаваемого между штуцером 1 и контактным элементом 5.
Особенности процесса модуляции мощности потока оптического излучения
Прежде чем перейти к описанию процесса модуляции предварительно рассмотрим структуру потока оптического излучения

Согласно [1, 3, 5], поток оптического излучения



Рис. 2. Графические построения, поясняющие структуру потока оптического излучения, который формируется торцом ПОС
Внутренняя область пространства ограничивается боковой поверхностью конуса, образующими которого являются световые лучи 1 и 2, излучённые из края сердцевины ПОС под апертурным углом








Внешняя область пространства ограничена снаружи боковой поверхностью усечённого конуса, образующими которого являются световые лучи 3 и 4, идущие из края сердцевины ПОС под апертурным углом





Следует отметить, что плотность энергии излучения во внутреннем пространстве в 2 раза выше плотности энергии излучения во внешнем пространстве [3].
Сечение









Сечение




Рассмотрим процесс модуляции мощности потока оптического излучения




1.



Кольцевая зона формируется световыми лучами отражёнными по направлению от центра сердцевины ПОС и имеет внешний радиус



где


2.




3.







а | б | в |
Рис. 3. Графические построения, иллюстрирующие процессы взаимодействия потока оптического излучения с зеркальной поверхностью мембраны
4.



Из выше приведенных данных следует, что:
1. вследствие неоднородности структуры потока оптического излучения



2. ФП ВОСД состоит из равных по длине линейного и нелинейного участков, сопряжённых в точке соответствующей условию

3. нелинейность ФП ВОСД имеет место при глубине модуляции превышающей

4. для обеспечения корректной работы ВОСД начальное расстояние


5. для расширения диапазона измерения давления



Произведём сравнение длин рабочих участков ФП ВОСД при различных значениях радиуса сердцевины









Проведенный сравнительный анализ показал, что при использовании в качестве ПОС световода 3-го типа обеспечивается расширение диапазона измерения давления в 1,67 раза по сравнению с результатами, полученными при использовании световода 2-го типа, и в 2,66 раза – при использовании световода 1-го типа (см. рис. 4).

1 – при


2 – при


3 – при


Рис. 4. Графики относительной ФП ВОСД:
ФП измерительного канала ЦИД
В связи с тем, что ФП ВОСД состоит из линейного и нелинейного участков, сопряжённых в точке соответствующей условию







ФП давления



где








Составным элементом измерительного канала ЦИД является фотоприёмник, состоящий из чувствительного элемента (полупроводникового фотодиода) и усилителя напряжения. При номинальной температуре окружающей среды ФП такого фотоприёмника в линейном приближении описывается уравнением величин:

где











Номинальные ФП измерительного канала ЦИД (ВОСД и фотоприёмника), с учётом уравнений величин (1) – (4), для первого и второго поддиапазонов измерения давления имеют, соответственно, вид


Реальные ФП измерительного канала ЦИД для указанных поддиапазонов, с учётом влияния дестабилизирующих факторов, описываются следующими уравнениями величин:


где
















Таким образом, получены аналитические выражения для ФП измерительного канала ЦИД для первого и второго поддиапазонов измерения давления. Данные аналитические выражения связывают между собой все физические величины, участвующие в процессе преобразования.
Техническое решение ЦИД с автоматической коррекцией погрешностей
Рассмотрим решение задачи автоматической коррекции погрешностей измерения давления с помощью ЦИД, структурная схема которого приведена на рис. 5, где 1 – электромагнитный клапан давления; 2 – усилитель мощности; 3 – управляемый ВОСД; 4 и 5 – волоконные световоды; 6 – источник оптического излучения; 7 – высоковольтный преобразователь; 8 – фотоприёмник; 9 – микроконтроллер (МК); 10 – преобразователь «код-напряжение» (ПКН); 11 – интегрирующий ПНК; 12 – ЦОУ; 13 – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 14 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 15 – общая шина (ОШ).

Рис. 5. Структурная схема ЦИД
Опишем работу ЦИД как в первом (при линейной ФП измерительного канала (5)), так и во втором (при нелинейной ФП измерительного канала (6)) поддиапазонах измерения давления.
После включения прибора все функциональные блоки устанавливаются в исходное положение. Входные регистры чисел ЦОУ 12 и ПКН 10 обнуляются. В результате ЦОУ 12 отображает нулевой результат. На выходе высоковольтного преобразователя 7 напряжение отсутствует. Клапан давления 1 установлен в закрытое положение, а источник оптического излучения 6 выключен.
Выбор поддиапазона измерений давления осуществляется автоматически следующим образом. По команде с МК 9 клапан давления 1 переводится в открытое положение. В штуцер ВОСД подводится среда, давление которого измеряется.
В результате прогиба мембраны ВОСД под действием давления






где

Код числа






Первый поддиапазон измерений давления
В данном поддиапазоне осуществляются три такта промежуточных измерений и один такт обработки полученных результатов промежуточных измерений.
В первом такте клапан давления 1 находится в закрытом состоянии. На выходе высоковольтного преобразователя 7 напряжение отсутствует. По команде с МК 9 включается источник оптического излучения 6. Поток оптического излучения

На выходе фотоприёмника 8 образуется напряжение

которое поступает на вход ПНК 11 и преобразуется в код числа

По команде с МК 9 код числа

Во втором такте по команде с МК 9 в регистр числа ПКН 10 записывается код числа





Под действием напряжённости



где




Изменение ширины



Аналогично первому такту поток оптического излучения


с помощью ПНК 11 преобразуется в код числа

Код числа

В третьем такте по команде с МК 9 регистр числа ПКН 10 обнуляется. Вследствие этого в ВОСД напряжённость электрического поля между штуцером и контактным элементом по своему значению становится равной нулю, а ширина пьезоэлектрического элемента уменьшается до величины

Одновременно клапан давления 1 по команде с МК 9 переводится в открытое положение. В штуцер ВОСД подводится среда, давление




Поток оптического излучения

На выходе фотоприёмника 8 образуется напряжение

которое подаётся на вход ПНК 11, где преобразуется в код числа

Код числа

В четвёртом такте полученные результаты промежуточных измерений (7) – (9) обрабатываются в соответствии с уравнением числовых значений

Полученный результат измерения давления (10) отображается на индикаторе ЦОУ 12.
В при использовании уравнения числовых значений (10) достигается исключение влияния на результат измерения давления абсолютных значений следующих параметров ФП (6):







Второй поддиапазон измерений давления
В данном поддиапазоне осуществляются четыре такта промежуточных измерений и один такт обработки полученных результатов промежуточных измерений. Первый и второй такты измерений идентичны первому и второму тактам измерений, описанным выше (для первого поддиапазона измерения давления).
В третьем такте клапан давления 1 (рис. 5) переводится в открытое положение. По команде с МК 9 в регистр числа ПКН 10 подаётся код нуля. Это обеспечивает отсутствие напряжения на выходе высоковольтного преобразователя 7, а, следовательно, и отсутствие электрического поля в ВОСД между штуцером и контактным элементом.
Как и в предыдущих тактах, поток оптического излучения

Выходное напряжение фотоприёмника 8

подаётся на вход ПНК 11 и с его помощью преобразуется в код числа

который через ОШ 15 поступает в ОЗУ 13, где и запоминается.
В четвёртом такте источник оптического излучения 6 по команде с МК 9 выключается. В результате на вход фотоприёмника 8 поток оптического излучения не поступает, а, следовательно, на его выходе присутствует только темновое напряжение




Код числа

В пятом такте полученные результаты промежуточных измерений (7), (8), (11) и (12) обрабатываются в соответствии с другим уравнением числовых значений

где

Полученный результат измерения давления (13) отображается на индикаторе ЦОУ 12.
Установлено, что при обработке результатов промежуточных измерений (7), (8), (11) и (12) в соответствии с уравнением числовых значений (13) обеспечивается автоматическая коррекция систематической и случайной составляющих погрешности результата измерения давления. Это несложно показать, если подставить в (13) уравнения числовых значений (7), (8), (11) и (12).
Уровень случайных погрешностей уменьшается за счёт использования в ЦИД интегрирующего ПНК 11. В отдельных случаях при высоком уровне случайных погрешностей в каждом такте проводятся


Особенностью процесса измерения давления является то, что число тактов измерения в первом и втором поддиапазонах различно.
Выводы
1. Описана конструкция управляемого ВОСД, предназначенного для реализации ОЭ МИИ. Предложенная конструкция ВОСД обеспечивает получение информативной избыточности за счёт управления параметрами сенсора.
2. Особенностью процесса модуляции мощности потока оптического излучения измеряемым давлением является наличие двух эффектов: линейного и нелинейного.
3. Установлено, что ФП ВОСД состоит из двух чётко выраженных частей: линейного и нелинейного участков.
4. Благодаря избыточным измерениям решена задача системной линеаризации общей (виртуальной) ФП ЦИД.
5. За счёт обработки результатов промежуточных измерений согласно соответствующему уравнению числовых значений обеспечивается автоматическая коррекция систематической и случайной составляющих погрешности измерения.
6. Предложенное техническое решение ЦИД может использоваться как автономно, так и в составе информационно-измерительных систем.
Литература
1. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. – М.: МГУЛ, 2004. – 246 с.
2. Кондратов В.Т., Зарницина А.А., Редько В.В., Ситар В.Б. Аппроксимация функции преобразования фотодиода для задач избыточных измерений физических величин // Вісник КНУТД. – 2004, №6. – С. 29-36.
3. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 128 с.
4. Мещеряков В.А., Мурашкина Т.И., Мурашкина Е.А. Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для летательных аппаратов // Датчики и системы. 2001, № 9. – С. 14-18.
5. Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления: Монография. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. – 188 с.
6. Конюхов Н.Е., Плютт А.А., Марков П.И. Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 152 с.
7. Кондратов В.Т., Редько В.В. Цифровой измеритель давления с оптическим сенсором // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. Хмельницкий, 2004, № 2. – С. 22-25.
8. Кондратов В. Т., Редько В.В. Анализ методической погрешности цифрового измерителя давления с оптическим сенсором // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. Хмельницкий, 2004, № 1. – С. 41-47.
9. Волоконная оптика и приборостроение / Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П.; Под общ. ред. Бутусова М. М. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. – 328 с.
10. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. – 256 с.
Авторы
Кондратов Владислав Тимофеевич – ведущий научный сотрудник института кибернетики им. В.М. Глушкова Национальной академии наук Украины, д.т.н., доцент
Украина, 03187, Киев-187, пр. Глушкова, 40.
Тел. +380 (044) 526-24-69, факс (841-2) 49-82-63, 49-85-00
E-mail: vlad@vladikon.kiev.ua
Редько Виталий Владимирович – студент 6 курса Института информационно-диагностических систем Национального авиационного университета
E-mail: blist2002@mail.ru