Информационно-измерительная система с оптическим преобразователем для контроля температуры объектов
На правах рукописи
ФАРРАХОВ РУЗИЛЬ ГАЛИЕВИЧ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ОПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТОВ
Специальность:
05.11.16 – «Информационно-измерительные и управляющие системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа - 2007
Работа выполнена в Уфимской государственной академии экономики и сервиса
Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники
Республики Башкортостан
доктор технических наук, профессор
Ураксеев Марат Абдуллович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Шилин Александр Николаевич
доктор технических наук, профессор
Баширов Мусса Гумерович
Ведущее предприятие: ОАО Башкирское специальное конструкторское
бюро «Нефтехимавтоматика», г. Уфа
Защита состоится 2 ноября 2007 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, Астрахань, ул. Татищева, 20а, конференц-зал
С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.
Автореферат разослан "____"_______________2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д-р техн. наук, проф. Петрова И.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Возросшие требования к качеству управления технологическими процессами и объектами в различных отраслях промышленности диктуют необходимость широкого внедрения информационно-измерительных систем (ИИС), в которых информация о контролируемых физических величинах получается с помощью первичных измерительных преобразователей.
При этом наиболее широко используемой физической величиной является температура, измерение и контроль которой сейчас необходим в энергетике, металлургии, стекольной, нефтехимической промышленностях и др.
К тому же в настоящее время возникает потребность в точных измерениях высоких температур до 3000 К.
В современной практике для измерения температуры используется множество измерительных преобразователей и устройств, основанных на различных принципах действия. Однако они не отвечают в полной мере возросшим требованиям к устройствам измерения температуры в отношении точности, надежности, быстродействия. Вместе с тем во многих практических случаях требуется дистанционное измерение температуры. Вот почему сейчас широко используются оптические преобразователи температуры (ОПТ), основанные на законах теплового излучения. Они обладают высокой точностью измерения, надежностью, отсутствием контакта с объектом измерения, возможностью измерения температуры движущихся объектов и т.д.
Вопросам теории, расчета и конструирования оптических пирометрических преобразователей посвящены труды отечественных и зарубежных ученых Афанасьева А.В., Гордова А.Н., Поскачея А.А., Саяпиной В.И., Света Д.Я., Якушенкова Ю.Г., Госсорга Ж., Линевега Ф., Bendada A., Coppa P., Kimura M., Sabel T., Shimizu M., Sun X.B., William J. и других.
Однако в этих работах не в полной мере приведены исследования, включающие принципы построения, математическое моделирование, основные и метрологические характеристики, методику проведения экспериментов и разработку основ проектирования.
А эти исследования необходимы для создание ОПТ с улучшенными характеристиками. Вот почему тема данной диссертационной работы, посвященной разработке ОПТ с улучшенными характеристиками, является актуальной научно-технической задачей, так как повышение эффективности ОПТ позволяет улучшить качество функционирования и технико-экономические показатели информационно-измерительных систем (ИИС), в которых они используются.
Основание для выполнения работы. Исследования в рамках диссертационной работы проводились в соответствии с:
1.Планами НИР Уфимской государственной академии экономики и сервиса на 2004-2007 г.г.
2.Проектом «UM JEP – 26108 – 2005 Network for universities and enterprises cooperation (NEUC)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС» (2006г.).
3.Проектом «UM JEP – 27083 – 2006 Network of centers for training of innovative project management (NCTIPM)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС» (2007г.).
Цель диссертации. Создание и исследование оптического пирометрического преобразователя с улучшенными характеристиками (высокая точность, чувствительность, оптическое разрешение) для использования в информационно-измерительных системах контроля температуры объектов.
Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:
1.Провести сопоставительный анализ известных методов и средств измерения температуры. Разработать принципы построения ОПТ и провести анализ их использования в ИИС контроля температуры объектов.
2.Разработать математическую модель, выявить методы увеличения величины мощности светового потока на выходе СВ.
3.Выявить и исследовать основные характеристики ОПТ.
4.Исследовать источники погрешностей ОПТ.
5.Создать ОПТ в лабораторных условиях, провести его экспериментальное исследование, обработку результатов эксперимента и разработать основы проектирования.
Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением волновой, квантовой теорий света, геометрической оптики, законов теплового излучения. При выполнении исследований широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Sigma Plot, Компас, MathCAD и др.
Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Машины, аппараты, приборы и технологии сервиса» Уфимской государственной академии экономики и сервиса.
На защиту выносятся:
1.Систематизация принципов построения ОПТ.
2.Конструкция ОПТ и его математическая модель.
3.Результаты исследования основных характеристик ОПТ.
4.Результаты экспериментальных исследований и основы проектирования ОПТ с применением СВ.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
1.Систематизированы принципы построения ОПТ и дан их анализ, позволяющий создавать устройства с заданными свойствами и качеством.
2.Разработана математическая модель ОПТ – зависимость мощности оптического излучения на выходе СВ от температуры объекта измерения, ослабляющих свойств атмосферы, материала и типа СВ, параметров приемной оптической системы, позволяющая выявить и исследовать основные характеристики устройства.
3.На основании исследования основных характеристик выявлено влияние на них параметров ОПТ и предложены способы их улучшения.
4.Разработаны основы проектирования ОПТ с применением СВ, позволяющие создавать устройства с улучшенными характеристиками.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
1.Разработаны принципы построения ОПТ, используемые при создании оптических преобразователей температуры для ИИС контроля объектов.
2.Моделирование и исследование математической модели ОПТ позволило выявить способы улучшения основных характеристик.
3.Предложены оригинальные конструкции ОПТ, имеющие повышенную точность, надежность и помехоустойчивость.
4.Разработаны основы проектирования ОПТ с применением СВ.
В результате исследований получены патенты на полезные модели «Информационно-измерительное устройство температурной диагностики контролируемых объектов» № 60210 от 25.09.2006г. и «Устройство для дистанционного измерения температуры объектов» № 62700 от 07.11.2006г.
Основные результаты диссертационной работы в виде сравнительного анализа существующих средств измерения температуры, принципов построения ОПТ, основных характеристик, характеристик погрешностей и методики проектирования внедрены на ОАО «Конструкторское бюро электроизделий XXI века» (г. Сарапул).
Принципы построения и методика проектирования ОПТ внедрены в учебный процесс при чтении лекций по различным дисциплинам, курсовом и дипломном проектировании в Уфимской государственной академии экономики и сервиса.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II – ой Международной научно – технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, 2005 год); III – ей Международной научно – технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, 2006 год); Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (г. Астрахань, 2007 год). Работа отмечена дипломом 1 – ой степени в конкурсе на лучшую работу студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в Уфимской государственной академии экономики и сервиса в секции «Механика и технология сервиса» (г. Уфа, 2007 год).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 патента на полезную модель и 2 статьи в ведущих научных журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 14 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследования, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечается их новизна и практическая значимость. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.
В первой главе описаны некоторые ИИС и приведена структурная схема ИИС контроля температуры объектов. Описаны современные средства и методы измерения температуры, используемые в составе ИИС контроля объектов, приведены экспертные оценки по их основным технико-экономическим показателям. Проведенный сравнительный анализ характеристик основных современных средств и методов измерения температуры показал, что ОПТ превосходят по многим показателям остальные рассмотренные, что делает их наиболее перспективными для использования в информационно-измерительных системах контроля температуры.
Дана классификация ОПТ по принципу действия и по конструктивному исполнению. Показано, что ОПТ, воспринимающие излучение в узком спектральном интервале (монохроматические), обладают высокой надежностью, точностью.
Принцип действия ОПТ основан на регистрации электромагнитной энергии, излученной объектом измерения (рис. 1).
1 – объект излучения; 2 – оптический блок; 3 – волоконный световод;
4 – измерительный блок
Рис. 1. Принцип действия ОПТ
ОПТ работает следующим образом. Тепловой поток от объекта излучения 1 попадает в оптический блок 2 и фокусируется на входной торец волоконного световода 3 выходной торец, которого соединен с измерительным блоком 4. Тепловой поток от объекта измерения является функцией температуры и в процессе обработки в измерительном блоке он преобразуется в электрический сигнал и представляется в виде значения температуры в форме удобной для восприятия оператором.
На основании исследования большого объема известной научно-технической и патентной литературы были выявлены и систематизированы принципы построения оптических пирометрических преобразователей (рис.2) и рассмотрены наиболее характерные конструкции и функциональные схемы ОПТ, в которых они используются.
Рис. 2. Принципы построения ОПТ
Применение разработанных принципов построения дает возможность создавать устройства с требуемыми свойствами и качеством.
Во второй главе исследована математическая модель ОПТ.
Разработаны структурная схема и принципиальная схема ОПТ, представляющие собой соединение основных элементов устройства и отражающие физические процессы, происходящие в нем при прохождении электромагнитного излучения по оптическому тракту. Структурная схема ОПТ приведена на рис. 3.
1 – инфракрасно прозрачное стекло; 2 – фокусирующая линза
с нанесенным интерференционным светофильтром;
3 – волоконный световод; 4 – измерительный блок
Рис. 3. Структурная схема ОПТ
Предложено считать математической моделью ОПТ аналитическую зависимость мощности оптического излучения на выходе СВ от температуры объекта измерения, ослабляющих свойств атмосферы, материала и типа СВ, параметров приемной оптической системы ОПТ.
С учетом интенсивности светового потока, формулы Планка, геометрических параметров приемной оптической системы, коэффициента пропускания оптической системы сис, коэффициента ослабления излучения из-за поглощения и рассеяния в атмосфере и СВ автором выведена аналитическая зависимость, связывающая мощность оптического излучения на выходе СВ от температуры объекта измерения, ослабляющих свойств атмосферы, материала и типа СВ, параметров приемной оптической системы ОПТ
 , | (1) |
где Р – мощность оптического излучения на выходе СВ [Вт]; - монохроматический коэффициент излучения объекта; NA – числовая апертура СВ; df – диаметр СВ [м]; С1, С2 – постоянные коэффициенты, связывающие физические константы (постоянную Планка, постоянную Больцмана, скорость света в вакууме): С1=3,7413·10-16 [Вт·м2]; С2=1,4388·10-2 [м·К]; – эффективная длина волны пропускания интерференционного фильтра [м]; – ширина пропускания интерференционного фильтра [м]; Т – температура объекта [К].
В результате компьютерного моделирования математической модели ОПТ выявлено, что наибольшее влияние на величину мощности оптического излучения оказывают параметры волоконного световода – диаметр df и числовая апертура NA. Установлено, что при увеличении диаметра волоконного световода df от 0,25 мм до 0,75 мм, мощность излучения возрастает в 9 раз (рис. 4). Расчетные значения приведены для значений числовых апертур 0,10,9.
Рис. 4. Зависимость мощности потока излучения на выходе СВ Р от температуры T при различных параметрах СВ NA (0,10,9) и df:
а) df=250 мкм, б) df=750 мкм
Важнейшими характеристиками ОПТ являются чувствительность и оптическое разрешение, определяемые из статической характеристики и параметров приемной оптической системы.
Статическая характеристика представляет собой зависимость J = f(T) и определяется из выражения (1) в виде J = P·Sм. При этом характер изменения функции аналогичен характеру изменения функции Р = f(T).
Чувствительность определяется из статической характеристики ОПТ как первая производная выходной величины по входной
 , | (2) |
где S – чувствительность ОПТ (А/К); J – ток фотодиода (А); Sм – монохроматическая токовая чувствительность фотодиода (А/Вт).
С целью увеличения чувствительности ОПТ необходимо увеличивать диаметр СВ df и числовую апертуру NA. Так, для ОПТ с СВ диаметром 250 мкм, при изменении числовой апертуры с 0,25 до 0,9, чувствительность увеличивается в 12,9 раз (рис. 5).
Рис. 5. Чувствительность ОПТ
Оптическое разрешение F определяется из параметров приемной оптической системы как
 | (3) |
где L – расстояние между линзой объектом контроля [м]; dS – диаметр объекта [м]; V – расстояние между линзой и СВ [м] ; df – диаметр СВ [м] (рис. 6).
Рис. 6. Оптическая система ОПТ
С целью увеличения оптического разрешения необходимо увеличивать расстояние между линзой и СВ V и уменьшать диаметр СВ df. Так, для ОПТ с СВ диаметром 250 мкм, при изменении V от 22 мм до 80 мм, что соответствует значениям числовой апертуры СВ NA 0,90,25, оптическое разрешение увеличивается с 88 до 320 (рис. 7).
Рис. 7. Оптическое разрешение ОПТ
В третьей главе дана классификация погрешностей и установлено, что определяющими источниками основной погрешности являются влияние спектрального коэффициента излучения объекта измерения и влияние сторонних излучений.
Диапазон измерения температуры разработанного ОПТ 1500 – 3000 К, максимумы спектральных распределений мощности потоков излучений для указанных температур в соответствии с законом смещения Вина соответственно приходятся на макс.1 = 1,93 мкм, макс.2 = 0,97 мкм.
Так как погрешность, связанная с влиянием спектрального коэффициента излучения объекта, зависит от длины волны, то для минимизации погрешности необходимо проводить измерения с наиболее короткой эффективной длиной волны излучения. С учетом поглощающих свойств атмосферы такой длиной волны является = 1 мкм (рис. 8).
Рис. 8. Значения поправки при / = ± 0,1
Для минимизации погрешности связанной с влиянием сторонних излучателей, необходимо применять узкополосные интерференционные светофильтры для ограничения влияния излучения сторонних объектов во всем спектре чувствительности фотоприемника.
Определяющим фактором дополнительной погрешности является влияние температуры окружающей среды, для устранения погрешности предложено термостатирование приемно-усилительного узла.
В четвертой главе проведено экспериментальное исследование разработанного устройства и разработана методика проектирования ОПТ с применение СВ.
Выполнен ряд измерений, по результатам которых построена экспериментальная зависимость U = f(T) (рис. 9). На основании анализа полученных результатов можно сделать вывод о хорошем согласовании теории и эксперимента. Максимальная погрешность не превышает 9 %.
Технические характеристики ОПТ:
- диапазон измеряемых температур: 1500-2700 К;
- чувствительность: (0,35-0,7)·10-6 А/К;
- оптическое разрешение, F=320.
Рис. 9. Выходные характеристики ОПТ:
1 – теоретическая; 2 - экспериментальная.
Проведено экспериментальное определение погрешности измерений. По результатам статистической обработки результатов прямых измерений определены номинальная характеристика преобразования и границы доверительного интервала с заданной доверительной вероятностью Р=0,9 (рис. 10). Полоса погрешностей на рис. 10 увеличена в 10 раз.
Рис. 10. Экспериментальная номинальная характеристика и полоса погрешностей ОПТ
Автором разработаны основы проектирования ОПТ с применением волоконного световода для ИИС контроля объектов, основные этапы которой приведены на рис.11.
Рис. 11. Основы проектирования ОПТ
Волоконный световод является основным элементом данного ОПТ, так как его параметры влияют на основные характеристики. Поэтому выбор его параметров вызывает наибольший интерес с теоретической и практической стороны.
Разработанные основы проектирования ОПТ с применением СВ, позволяет улучшить основные характеристики ОПТ.
На основе полученной методики разработаны два устройства измерения температуры для применения в составе ИИС контроля объектов (Патент РФ на полезную модель № 60210 «Информационно-измерительное устройство температурной диагностики контролируемых объектов», патент РФ на полезную модель № 62700 «Устройство для дистанционного измерения температуры объектов»), позволяющие повысить точность измерений, надежность устройства.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
1. В результате комплексного анализа современных методов и средств измерения температуры, показана перспективность применения в информационно-измерительных системах ОПТ, что приведет к повышению эффективности существующих систем. В результате анализа существующих технических решений были систематизированы принципы построения ОПТ, позволяющие создавать устройства с заданными свойствами и качеством.
2. В результате исследования физических процессов, происходящих с электромагнитной волной в атмосфере и оптической системе ОПТ, с использованием уравнений Максвелла, интенсивности светового потока, формулы Планка была получена математическая модель ОПТ в виде аналитической зависимости мощности светового потока в функции температуры, ослабляющих свойств атмосферы, материала и типа СВ, параметров приемной оптической системы ОПТ.
3. В результате компьютерного моделирования математической модели ОПТ, выявлено, что наибольшее влияние на величину мощности излучения оказывают параметры волоконного световода – диаметр df и числовая апертура NA.
4. Установлено, что наиболее важными характеристиками являются чувствительность и оптическое разрешение. С целью увеличения чувствительности ОПТ необходимо увеличивать диаметр СВ и числовую апертуру. Так, для ОПТ с СВ диаметром 250 мкм, при изменении числовой апертуры с 0,25 до 0,9, чувствительность увеличивается в 12,9 раз. С целью увеличения оптического разрешения необходимо увеличивать расстояние между линзой и СВ V и уменьшать диаметр СВ df. Так, для ОПТ с СВ диаметром 250 мкм, при изменении V от 22 мм до 80 мм, что соответствует значениям числовой апертуры СВ NA 0,90,25, оптическое разрешение увеличивается с 88 до 320.
5. Исследованы источники основной и дополнительной погрешностей и разработаны методы повышения точности ОПТ. Установлено, что определяющими источниками основной погрешности являются влияние спектрального коэффициента излучения объекта измерения и влияние сторонних излучений, а определяющим фактором дополнительной погрешности является влияние температуры окружающей среды.
6. Создан опытный образец ОПТ и на основе проведенных экспериментальных исследований установлена адекватность основных теоретических положений реальному объекту. Максимальная погрешность при этом не превысила 9 %. По итогам статистической обработки результатов измерений определены номинальная характеристика преобразования и границы доверительного интервала с заданной доверительной вероятностью Р=0,9. Разработаны основы проектирования ОПТ с применением СВ для ИИС контроля объектов, позволяющая улучшить основные характеристики ОПТ.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В
СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ
I. Научные статьи в центральных изданиях рекомендованных ВАК РФ
1. Ураксеев М.А. Современные датчики дистанционного контроля температуры [Текст] / М.А. Ураксеев, Р.Г. Фаррахов // Экологические системы и приборы. – 2007. -№10. – С. 28-31. – Библиогр.: с. 31.
2. Ураксеев М.А. Развитие методов и средств измерения температуры [Текст] / М.А. Ураксеев, Р.Г. Фаррахов, М.Г. Киреев, Д.А. Дмитриев // История науки и техники. – 2007. -№6 спец. выпуск №1. – С. 131-133. – Библиогр.: с. 133.
II. Публикации в сборниках научных трудов, материалы конференций и патенты
3. Ураксеев М.А. Влияние пропускания атмосферы на измерения температуры бесконтактным способом и выбор приемника излучения [Текст]: / М.А. Ураксеев, Р.Г. Фаррахов // Инновации и перспективы сервиса: сб. науч. ст. / Уфимская государственная академия экономики и сервиса. – Уфа, 2006. – С.23-26. – Библиогр.: с.26.
4. Ураксеев М.А. Устройство для дистанционного измерения температуры объектов [Текст]: / Р.Г. Фаррахов, М.А. Ураксеев // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2007»: материалы Всероссийской научной конференции 18-20 апреля 2007г.. Ч.2. / Астрахань.: Издат. дом «Астраханский университет», 2007. –С. 66-68. – Библиогр.: с. 68.
5. Ураксеев М.А. Физические основы построения оптических пирометров [Текст]: / М.А. Ураксеев, Р.Г. Фаррахов // Инновации и перспективы сервиса: сб. науч. ст. / Уфимский государственный институт сервиса. – Уфа, 2005. – С.19 - 22. – Библиогр.: с.22.
6. Фаррахов Р.Г. Разработка структуры пирометра и расчет его основных элементов [Текст]: / Р.Г. Фаррахов, М.А. Ураксеев // Инновации и перспективы сервиса: сб. науч. ст. / Уфимский государственный институт сервиса. – Уфа, 2005. – С.11 - 14. – Библиогр.: с.14.
7. Патент РФ № 60210 на полезную модель МПК G01J5/10 Информационно-измерительное устройство температурной диагностики контролируемых объектов [Текст] / Ураксеев М.А., Фаррахов Р.Г., Гибадуллин Р.Р. заявитель и патентообладатель ГОУВПО Уфимский гос. авиационный тех. ун-т; заявл. 25.09.2006; опубл. 10.01.07, Бюл. № 1.
8. Патент РФ № 62700 на полезную модель МПК G01J5/10 Устройство для дистанционного измерения температуры объектов [Текст] / Ураксеев М.А., Фаррахов Р.Г., Федосов А.В.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Уфимский гос. авиационный тех. ун-т; заявл. 07.11.2006; опубл. 27.04.07, Бюл. № 12.
