CC BY
62
Раздел III. Алгоритмическое и программное обеспечение
УДК 543.421:621.38
А.В. Вовна, А.А. Зори, Н.П. Косарев
ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА СОСТАВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Рассмотрены вопросы повышения чувствительности и точности оптикоабсорбционного измерителя концентрации метана. Предложен способ компенсации шума и его аппаратная реализация в выходном сигнале первичного оптоэлектронного измери-. -личивать длину измерительной базы. Как показали экспериментальные исследования, с учетом трудности юстировки оптической системы для обеспечения соосности источника и приемника излучения, рекомендуется ограничить длину базы оптического канала до (100-150) мм. Использование предложенного способа компенсации шума на основе метода составных параметров в выходном сигнале первичного оптоэлектронного преобразователя и его аппаратной реализации позволяет уменьшить величину основной абсолютной погрешности измерений до + 0,1°^'%, что примерно в 2 раза увеличивает чувствительность измерителя концентрации метана.
Измеритель; метан; чувствительность; метрологические характеристики; шум.
A.V. Vovna, A.A. Zori, N.P. Kosarev
THE INCREASING OF SENSITIVITY OF MEASURING GAS CONCENTRATIONS USING THE METHOD OF COMPOSITE PARAMETERS
The sensitivity and accuracy increasing problems of optical-absorption methane concentration measuring were reviewed. A method for noise compensation and its hardware implementation in the output signal of the primary optoelectronic transmitter was proposed. To increase the measuring device sensitivity is necessary to increase the measuring base length. As shown by experimental investigation taking into account the optical system adjusting difficulties to ensure radiation source alignment and detector, it is recommended to limit the optical channel length to the base (100—150) mm. Using the proposed compensation method on the basis of the noise component parameters in the primary optoelectronic converter output signal and its hardware implementation can reduce the basic error amount of measurement to that approximately doubles the methane concentration measuring sensitivity.
Measurer; methane; sensitivity; the metrological characteristics; noise.
Общая постановка проблемы. Для решен ия проблем, связанных с безопасностью условий труда на промышленных предприятиях, в частности для предупреждения взрывоопасных ситуаций, необходимо постоянно контролировать изменения состава атмосферы рабочей зоны. Поскольку одним из совершенных газоаналитических измерителей для данных целей является оптико-абсорбционный, то для улучшения его метрологических характеристик целесообразно исследовать методы и средства повышения его чувствительности и точности с учетом сложных
.
Постановка задачи исследования. При разработке и ис следовании макетного образца измерителя концентрации метана, основанного на оптико-абсорбционном методе измерения концентрации газов, возникает задача улучшения его метрологических характеристик. Согласно требованиям [1], значение основной абсолютной погрешности данного типа измерителей концентрации метана составляет ± 0,2об% в диапазоне от 0 до 40&%. Для повышения точности измерителя путем увеличения соотношения сигнал/шум необходимо разработать способ уменьшения шумов первичного оптоэлектронного преобразователя и средства для аппаратной .
Решение задачи и результаты исследования. В основу построения измерителя положен закон Бугера, который связывает интенсивность поглощения 1выхок с длиной волны ИК-излучения Л , длиной пути I оптического излучения, концентрацией исследуемого газового компонента ССЯ4 и описывается вы-[2]
I (С Т Р Л1 ) = I -е~кСuv''уСса4'1
выхок \ си4’ 1ахок с >
где 1ЙХОк 11 1выхок - интенсивности входного и выходного потоков оптического , / , , выходному Фвыхок, Вт потокам оптического излучения; С(:н4, моль/см3 - молярная концентрация метана в измерительном канале; I, м - толщина анализируемого , ; К{Л,Т,Р) - коэффицие нт
сечения спектра поглощения оптического излучения метаном, зависящий от тем, , .
В качестве источника ИК-излучения использовался светоизлучающий диод (СИД) ЬББ34-РК^ [3], а в качестве приемника ИК-излучения выбран фотодиод (ФД) РБ36-05-РИ [3], так как его спектральные характеристики наиболее близки и согласованы со спектральными характеристиками выбранного СИД. Сигнал тока 1ФЧ ФД определяется соотношением
ип С%,Г,Р, I ) = Бсп,„Осж{С%,Т,Р, I),
где 5Сшцвшах = 1,1 А/Вт - максимальная интегральная чувствительность ФД к сигналу [3].
Для оценки влияния конструктивного параметра измерителя - длины оптического пути на результат измерений концентрации метана - использована методика определения результатов косвенных измерений и оценки их погрешностей, согласно которой допустимое значение абсолютной погрешности измерения тока ФД может быть определено по формуле
, Э1Ф„ ? (ы. л2
9 лег.
ФД-А1
91
/
где к =1,1 при доверительной вероятности 0,95; АС0(5% , А1 - абсолютные погрешности измерений объемной концентрации метана и длины оптического канала.
Для расчета и обоснования основного конструктивного параметра измерителя, непосредственно определяющего чувствительность, - длины базы оптического канала (I, мм) - выполнен расчет относительного изменения выходного тока ФД. Данное изменение (31Ф1{{С,Р,I)) определяется как разность между значениями выходного
тока ФД при минимальной (С = 0°° % ) и максимальной (С = 4°° % ) концентрациях метана в измерительном канале, приведенных к значению тока при минимальной концентрации (С = 0°°'% ), и может быть рассчитано по соотношению [2]
а г )= ^ С=°^-С,1 >-и, С м,, )
' V, С=0,т,р, I)
Из результатов проведенного моделирования следует, что при длине измерительной базы I =50 мм относительное изменение тока ФД составляет 4 %, при
увеличении длины до 100 мм величина Ыфц возрастает до 7 %. Следовательно,
для увеличения чувствительности измерителя концентрации метана необходимо увеличение длины измерительной базы. Однако при этом возрастают трудности с юстировкой оптической системы, т.е. обеспечения соосности источника и прием. -нала от 100 до 150 мм, при этом значения ЫФП составляют (7-10) %.
Другой основной задачей проведенных исследовании, направленных на повышение чувствительности измерителя, является снижение уровня шума в выходном сигнале ФД РБ36-05-РИ. Так, при питании СИД LED34-PRW импульсами тока амплитудой 1ЬЕВ34 = 200 мА со скважностью q = 0,5 отношения сигнал/шум (3-5), .
импульсов тока до величины (1,4-1,6) при скважности 0,02-0,04. Отношение сиг/ 30-40, -
творяет условиям промышленной эксплуатации подобного типа измерителей. При измерении же малых значений концентрации исследуемых газовых компонент на
уровне основной абсолютной погрешности измерений ± 0,2 00 % величина отно-/ 3-4,
данных измерений с заданной точностью.
Для повышения данного показателя предложено использовать метод состав,
,
шума ФД в измеритель необходимо вводить аппаратную избыточность в виде отдельного оптоэлектронного компонента для уменьшения влияния шума на характеристику преобразования измерителя.
Пусть случайная погрешность А^ вызвана влиянием шумов и собственных случайных изменений параметров измерителя концентрации метана. Погрешность А^ имеет нулевое мате магическое ожидание. Предложено ввести в схему измерителя дополнительный компенсационный фотодиод, вызывающий центрированную случайную составляющую шума Ак, коррелированную с А^. При этом остаточная случайная составляющая погрешности становится равной
А0 = А ~Ак .
Пусть собственная случайная составляющая погрешности измерителя характеризуется дисперсией Б[А^]. Для компенсации данной погрешности выбран
дополнительный ФД с сигналом шума, близкого к закону распределения шумов измерителя концентрации метана, который характеризуется случайной погрешностью А^ с дисперсией Б[Ак ]. Дисперсия остаточной погрешности с учетом компенсации определяется выражением
Б[А 0] = Б[А, ] + ДА к ] - 2 -р ]• ДА к ],
где рк - нормированный коэффициент взаимной корреляции погрешностей А^ и
Ак; для лучшей компенсации коэффициент рк должен быть ближе к 1.
При проведении исследований выявлено, что даже при выборе практически одинаковых по характеристикам и параметрам фотодиодов коэффициент корреляции их выходных сигналов не более 0,1. Поэтому при реализации метода составных параметров предложено использовать в качестве компенсационного сигнала видоизмененный выходной сигнал измерительного ФД. Исходный выходной сигнал ФД в амплитуде содержит информацию об измеряемой концентрации метана, после преобразования в сигнал напряжения состоит из двух составляющих: информационного импульсного сигнала, амплитуда которого не более 1 В со скважностью (0,02-0,04), и шумовой составляющей, которая имеет нормальный закон распределения со следующими параметрами: математическое ожидание шх=0 В; среднеквадратичное отклонение с^=50 мВ; объем выборки N=1000 (рис. 1).
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
^ V, В
/
/ //
// //
У’/У! МА5 «Л^ А/А/ мкі *>уч
Г
N
100
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Рис. 1. Выходные информационный (1) и компенсационный (2) сигналы первичного оптоэлектронного измерительного преобразователя концентрации метана
Для реализации предложенного способа компенсации шума необходимо сформировать из выходного сигнала измерительного преобразователя компенсационный сигнал для последующего суммирования его с исходным сигналом измерителя концентрации метана. Аппаратная реализация этого метода приведена на . 2.
. 2.
оптико-абсорбционного измерителя концентрации газов
Здесь Фвых ок(Сис,%) - выходной ИК-поток, содержащий информацию об измеряемой концентрации метана; ФД - фотодиод; ФПУ - фотоприемный усилитель; УО - усилитель-ограничитель; СУМ - сумматор; АД - амплитудный детектор; НП - нормирующий преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преоб-.
2
0
Для формирования компенсационного сигнала из выходного сигнала ФПУ используется УО, который рекомендуется построить по схеме инвертирующего включения операционного усилителя. УО обеспечивает сдвиг фазы выходного сигнала на 180° и ограничивает отрицательное выходное напряжение на уровне 0 В (схема с однополярным питанием). УО обеспечивает единичный коэффициент передачи по напряжению и содержит схему компенсации аддитивной составляющей погрешности измерений путем подачи на неинвертирующий вход напряжения смещения амплитудой (0,1-0,2) В. Выходной сигнал УО приведен на рис. 1. Суммирование исходного сигнала с выхода ФПУ и компенсационного сигнала УО
( ),
рис. 3.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
N
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Рис. 3. Выходной сигнал первичного оптоэлектронного измерительного преобразователя после компенсации шума
и в
^выхсш' "
0
Дальнейшее преобразование выходного сигнала осуществляется АД, который преобразует амплитуду выходного импульсного сигнала в среднее значение, пропорциональное концентрации метана. НП нормирует характеристику преобразования до необходимого входного уровня АЦП. После чего информация передается в микропроцессорный блок для расчета измеряемой концентрации метана и выдачи сигналов в систему аэрогазовой защиты угольных шахт и промышленных .
Выводы.
1.
длину измерительной базы. Как показали исследования, с учетом трудности с юстировкой оптической системы для обеспечения соосности источника и приемника излучения, рекомендовано ограничить длину базы оптического канала до (100— 150) мм.
2. -
тода составных параметров в выходном сигнале первичного оптоэлектронного преобразователя и его аппаратной реализации позволяет уменьшить величину основной абсолютной погрешности измерений до ± 0,100'%, что примерно в 2 раза увеличивает чувствительность измерителя концентрации метана.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Приборы шахтные газоаналитические. Общие требования, методы испытания: ДСТУ ГОСТ 24032:2009. - [Действующий от 2009-02-01]. - Киев: Держспоживстандарт, 2009. - 24 с.
2. Вовна AM. Методы и средства аналитического измерения концентрации газовых компонент и пыли в рудничной атмосфере угольных шахт / А.В. Вовна, А.А. Зори, В.Д. Коренев, М.Г. Хламов. - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2012. - 260 с.
3. Ioffe Physico-Technical Institute [Электронный ресурс] / Mid-IR Diode Optopair Group (MIRDOG). - Электронные данные. - Режим доступа: http://mirdog.spb.ru. - Дата досту-
: 2012. - . .
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., проф. А.Е. Панич.
Вовна Александр Владимирович - Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет»; e-mail: Vovna_Alex@ukr.net; 83001,
г. Донецк, ул. Артема, 58, Украина; тел.: +380623045571; +380623010918; кафедра электронной техники; к.т.н., доцент.
Зори Анатолий Анатолиевич - кафедра электронной техники; зав. кафедрой; д.т.н.; про.
- ; . . .; .
Vovna Aleksander Vladimirovich - State Higher Education Establishment “Donetsk National Technical University”; e-mail: Vovna_Alex@ukr.net; 58, Artyom street, Donetsk, 83001, Ukraine; phones: +380623045571; +380623010918; the department of electronic technics; cand. of eng. sc.; associate professor.
Zori Anatolii Anatolievich - the department of electronic technics; d.r of eng. sc.; head the department; professor.
Kosarev Nikolay Pavlovich - the department of electronic technics; associate professor.
УДК 004.93
ЕЛ. Башков, С.А. Зори
РЕАЛИСТИЧНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ И СЦЕН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ОБЪЕМНОГО ОТОБРАЖЕНИЯ
Рассматривается исследование возможности синтеза реалистичных стереоскопических изображений сцен методом трассировки лучей, а также возможности их поддержки на параллельных архитектурах специализированных вычислительных систем. Разработана реализация предложенного способа стереосинтеза изображений сцен с использованием метода обратной трассировки лучей и анаглиф-постпреобразования на графических процессорах (платформа СиЭЛ), экспериментально оценены временные характеристики процесса для различных характеристик сцен (количества объектов, источников , , , ). Экспериментальная проверка показала, что разработанный прототип системы решает задачу формирования изображений сцен малой и средней сложности в реальном времени. Реалистичная визуализация; объемное отображение; стереоизображения; графиче-.
