CC BY
0ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
УДК 681.78
DOI https://doi.org/10.38161/1996-3440-2024-2-7-16
И. Г. Кирин
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ ПЕРЕДАЮЩЕЙ ЧАСТИ ОТ ПРИЕМНОЙ
Кирин И. Г. - доктор техн. наук, профессор кафедры физики ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», e-mail: igkirin@rambler.ru
В статье представлены результаты анализа метрологических параметров оптоэлектронных измерительных систем с электропитанием передающих частей от приемных по раздельным и совмещенным каналам передачи информации и энергии. Показано, что схемы с раздельными каналами передачи информации и энергии не ухудшает метрологических характеристик информационно-измерительной измерительной системы, не накладывает каких либо ограничений на структуру ее передающей части связанной с ее энергопотреблением. Для схем с совмещенными каналами, при фазовом или спектральном методах уплотнения каналов, за счет взаимного влияния друг на друга оптических излучений передающих энергию и информацию, возникает ухудшение соотношения сигнал/шум информационно-измерительной части датчика за счет эффектов генерации континиума и вынужденного комбинационного рассевания только в том случае, когда мощность оптического излучения значительная. Если же уплотнение каналов временное, взаимным влиянием каналов можно пренебречь.
Ключевые слова: измерительные системы, электропитание передающих частей от приемных, метрологические характеристики.
Введение
Оптоэлектронные измерительные устройства широко используются практически во всех отраслях промышленности, научных исследования, медицинские приборах и оборудовании, в электроэнергетике и ускорительной техники [1]. В [1,2] для обеспечения электропитания передающих частей такого рода измерительных устройств было предложены две схемы - с электропитанием передающей части от приемной по совмещенному каналу передачи информации и энергии и по схеме с раздельными каналами. Это позволило сделать
© Кирин И. Г., 2024
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
энергонезависимыми от места установки их передающие части и как следствие существенно расширило области их применения.
Обобщенная функциональная схема оптоэлектронного измерительного устройства с совмещенными каналами передачи информации и энергии показана на рисунке 1 [1, 2]. содержат: приемную часть, включающую источник оптической энергии (6), фотоприемный блок (5), блоки уплотнения (9), источник электропитания (7), общий для фотоприемного блока и источника оптической энергии; передающую часть, основными элементами которой являются первичный преобразователь (1), параметрический преобразователь с устройством преобразования электрических сигналов в оптические (2), фотоэлектрический блок (5), преобразователь напряжения (4) и блок уплотнения (9); волоконно-оптический канал (8), через который обеспечивается связь приемной и передающей частей.
Рис. 1. Обобщенная функциональная схема оптоэлектронного измерительного устройства с совмещенными каналами передачи информации
и энергии
1- первичный преобразователь, 2-параметрический преобразователь с устройством преобразования электрических сигналов в оптические, 3- фотоэлектрический блок, 4-преобразовательнь напряжения, 5-фотоприемный блок, 6- источник оптической энергии, 7-источник электропитания, 8-волоконно-оптиче-ский канал, 9-блоки уплотнения.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
Особенность этой схемы состоит в том, что передача энергии электропитанием к передающей части и в обратном направлении передачи информации осуществляется по одному и тому же каналу. Это обстоятельство дает возможность проводить не только бесперебойное электропитания передающей части, но и необратимого обесцвечиваний лазерным излучением стабильных полос поглощения, наведенных радиацией в световодах либо одновременно с работой оптоэлектронной системы, либо в те промежутки времени, когда она не работает [1].
Конструктивно передающие и приемные блоки этих устройств выполняются в виде самостоятельных частей, связанных между собой волоконнооптическим каналом. Причем передающая часть располагается непосредственно на диагностируемом объекте, а приемная часть в любом удобном месте, там, где есть возможность ее электропитания от сети. Эти блоки электрически не связаны между собой. Они изолированы через световод волоконнооптического канала, который и обеспечивает передачу информации от передатчика к приемнику и необходимой для работы передатчика энергии в обратном направлении.
В такой схеме уплотнение волоконно-оптического канала обеспечивается специальными блоками. Назначение этих блоков состоит в том, чтобы обеспечить разделение и сведение световых потоков энергетического и информационного каналов, не превышая при этом критического уровня помех в информационном канале, создаваемых в нем энергетическим каналом. Оно, это разделение, может быть осуществлено в общем случае временным, спектральным или фазовым способом.
Соответственно, обобщенная функциональная схема оптоэлектронных измерительных устройства с раздельными каналами передачи информации и энергии (рис.2) [2] содержат: передающую и приемную части, по своему составу аналогичные варианту со схемой с совмещенным каналом, за исключением блоков уплотнения. В этой схеме их нет. Особенность данной схемы реализаций электропитания передающих блоков:
- возможность применения световодов различных видов;
-неограниченное число световодов, обеспечивающих передачу энергии от
приемной к передающей части оптоэлектронного устройства;
- использование как когерентных, так и некогерентных источников оптического излучения в составе канала передачи энергии;
-пониженные, в сравнении с вариантом совмещенных каналов передачи информации и энергии, потери в энергетическом канале из-за отсутствия оптических систем сведения и разделения информации и энергии.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
Ниже, в этой статье представлен анализ метрологических параметров построенных по этим схемам оптоэлектронных измерительных систем.
Методы исследования
Для решения поставленной задачи использовалась стандартная математико-статистическая методика анализа метрологических параметров измерительных устройств [3].
Результаты. Для них статистические характеристики в общем случае описываются выражением:
П
= Y +П К ■ X„ , (1)
m=1
где Y0 -выходной сигнал при отсутствии модулирующей величины Xех, кт = — - коэффициент преобразования m-го преобразователя.
Рис. 2. Обобщенная функциональная схема оптоэлектронных измерительных устройства с раздельными каналами передачи информации и энергии
1- первичный преобразователь, 2-параметрический преобразователь с устройством преобразования электрических сигналов в оптические, 3- фотоэлектрический блок, 4-преобразовательнь напряжения, 5-фотоприемный блок, 6- источник оптической энергии, 7-источник электропитания, 8-волоконно-оптические каналы.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
Практически всегда можно добиться Yeblx = 0 при Х ^ = 0 и соответ-
П
ственно: YMX = Пкт ■Х„ (2)
т=1
Применительно к рассматриваемым схемам построения оптоэлектронных измерительные устройства и датчиков уравнение (2) можно представить в
виде: Yeux = Кк 2 Хвх (3)
Правомерность представления для рассматриваемых оптоэлектронных измерительных систем уравнения (2) в виде (3) обусловлена тем, что оптическим излучением, передающим энергию питания от их приемной части к передающей, обеспечивается еще и защита световода волоконно-оптического датчика от воздействия радиации [1], исключая тем самым прогрессирующую погрешность всего устройства. Кроме того, эти преобразователи если и имеют дрейф, связанный с изменением параметров компонент на которых они построены, то его скорость очень мала, поэтому им также можно пренебречь. Это дает возможность классифицировать далее все составляющие погрешности по признаку слабой или сильной взаимной корреляционной связи и по (2) и (3) результирующую погрешность определять по погрешности промежуточных преобразователей.
В рамках этого подхода [3] результирующую относительную погрешность
Гу определяемую данным видом дестабилизирующего воздействия определяется соотношением
rN = ir
(4)
где N - индекс, означающий вид дестабилизирующего воздействия,
Г1 = — т ■ dN - относительная погрешность m -го преобразователя в за-
к SN
т
данном диапазоне Х^ от воздействия факторов N.
Соответственно, результирующая погрешность уу , определяемая всем набором внешних воздействий, описывается соотношением
Г =
i r)
(5)
ь
Для рассматриваемых схем построения оптоэлектронных измерительных устройства, основным фактором определяющим погрешность является изменение окружающей температуры, нестабильность источников питания, а также разъюстировка оптических элементов. Влияние разъюстировки оптических элементов на погрешность этих оптоэлектронных измерительных
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
устройств, несмотря на то, что передача информации от их передающих части к приемной осуществляется кодированными сигналами обусловлено тем, что она приводит к изменению энергии, передаваемой в обратном направлении от приемной части к передающей. Это обстоятельство может привести к изменению напряжения питания параметрических преобразователей, и соответственно к изменению частоты параметрических преобразователей без воздействия измеряемого физического поля.
Пользуясь (4) для оптоэлектронных измерительных устройств, построенных по схемам с совмещенными и раздельными каналами, составляющая погрешности, обусловленной влиянием температуры - может быть представлена в виде
2
t t , t t
Yl = Yl +72 = ^Ym
m=l
(6)
Составляющая погрешности, вызванная влиянием нестабильности источника питания в виде:
YU =yu +yu =£yL
m=l
2
(7)
а составляющая погрешности, вызванная влиянием разъюстировки оптических элементов в виде:
y1 = y6 + 2y9+y3 (8)
для оптоэлектронных измерительных устройства построенных по схеме на рис.1 и в виде:
Y = y6 + y3 (9)
для оптоэлектронных измерительных устройства построенных по схеме показанной на рис. 2.
Соответственно результирующая погрешность для оптоэлектронных измерительных устройств, построенных по схеме с совмещенными каналами, если уплотнение временное имеет вид
Yi
и
= }I(y1+y2 f + (yu + yuf + (y6+2y9+y3 f Yi =^(yI +y2 T+(yu + yu У +(y6+y3 У
(10)
(11)
для оптоэлектронный измерительные устройства. построенных по схеме с раздельными каналами.
Выражение (10) справедливо, для схем с совмещенными каналами при использовании спектрального или фазового метода уплотнения канала, в том
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
случае, когда источник оптической энергии канала передачи энергии когерентный или частично когерентный и его мощность ниже порога эффекта возникновения эффекта генерации континиума или вынужденного комбинационного рассевания (ВКР), а блоки уплотнения канала полностью разделяют по спектру компоненты оптических излучений передающих информацию и энергию. В тех же случаях когда источник излучения канала передачи энергии некогерентный или частично когерентный, но его мощность превосходит порог возникновения эффекта генерации континиума или ВКР, вклад в результирующую погрешность будет вносить и засветка фотоприемника канала передачи информации излучением канала передачи энергии, причем это влияние возникает даже в тех случаях когда оптическое излучение передающее энергию непрерывно, в силу того, что меняется среднее значение тока фотоприемника, обусловлено это фоновой засветкой и равное [4]:
Х>
В = Q{ ВФ (Я>?2(ЯМЯУ (Я) (|2)
0
ц\ - коэффициент пропускания приемной оптической системы, - площадь
входного зрачка приемного объектива, 0 = ^sin fi, 2fi - угол поля зрения приемной системы, Вф (Я) - спектральная плотность яркости фона,
^2 (Я) - передаточная функция блока спектрального уплотнения, s(X) - спектральная чувствительность фотоприемника. Я - длина волны излучения;
и как следствие возрастает требуемое пороговое значения лучистого потока на фотоприемнике, например на фоторезисторе
фп = Mi [(lei + 4kT / RH )(1 + ml )/ f2 (2as)1 (13)
где: e -заряд электрона, k -постоянная Больцмана, T - абсолютная температура,
i = iT + /ф, iT - темновой ток фотоприемника, X - относительное ухудшение отношение сигнал/шум, s -чувствительность фотоприемника на длине волны принимаемого излучения
m_ = iA{S( Rl [i + 2kT/(eR„ ft1 (14)
i A - среднее значение тока активного элемента первого каскада усиления,
S - крутизна вольтамперной характеристики активного элемента, RH - сопротивление нагрузки, А/Эф -полоса принимаемого сигнала [4].
Результирующая относительная погрешность в этом случае:
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
= {(Г+r2 у +{г'в" +ri" Mr+2/э +r3 )+(гф° У }1/2
(15)
Ф
r5 - погрешность, обусловленная засветкой фотоприемника канала пере-
дачи информации излучением канала передачи энергии.
Анализ (10, 11, 15) показывает, что наименьшее число составляющих имеет погрешность оптоэлектронных измерительных устройств с электропитанием передающей части по отдельному волоконно-оптическому каналу. Причем, в силу того, что изменение напряжения источника питания и зависимости от колебания напряжения сети, с помощью стабилизаторов на приемной части рассматриваемых оптоэлектронных измерительных устройства можно практически свести к минимуму, а колебания источника питания передающей части, путем использования неразъемных соединений в канале передачи энергии, также могут быть исключены, погрешность всего устройства будет определяться погрешностью вида ry Гу . Таким образом, для реализации
оптоэлектронных измерительных устройств с высокими метрологическими характеристиками, также как и в случае электропитания передающей части автономным источником, необходимо, прежде всего, использовать частотный преобразователь с высокими метрологическими характеристиками в широком диапазоне температур.
В схеме с совмещенными каналами передачи энергии и информации, в соответствии с (11, 15), даже при использовании преобразователя с высокими метрологическими характеристиками, слабо зависящими от температуры в широком интервале, погрешность всей системы будет зависеть еще и от мощности оптического излучения, передаваемого по световоду на передающую часть оптоэлектронного измерительного устройства, а также от длины волны этого излучения и длины световода, связывающего его приемную и передающую части. Причем, если длины волн, на которых передается информация и энергия, таковы что их можно полностью разделить системами уплотнения волоконно-оптического канала, а уровень мощности оптического излучения в канале передачи энергии ниже порога возникновения эффектов генерации кон-тиниума или ВКР [5], канал передачи энергии не ухудшает погрешности датчика, При превышении мощности оптического излучения в канале передачи энергии над порогом генерации континиума или ВКР, метрологические характеристики канала передачи информации ухудшаются независимо от соотношения частот излучения передающих информацию и энергию. Соответственно
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
эта схема более предпочтительна для создания оптоэлектронных измерительные устройства с низким энергопотреблением на передающей части.
Заключение
Таким образом, из приведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Схемы построения оптоэлектронных измерительных устройства с системами питания передающей части от приемной позволяют исключить необходимостью в источниках питания на передающей части, что существенно расширяет области их использования, обеспечивает высокую помехоустойчивость к воздействию электромагнитных помех схемы с совмещенными каналами передачи информации и энергии еще и к воздействию радиации.
2. Схемы с раздельными каналами передачи информации и энергии не ухудшает метрологических характеристик оптоэлектронных измерительных устройств, не накладывает каких-либо ограничений на структуру передающей части этих устройств связанных с их энергопотреблением.
3. За счет взаимного влияния друг на друга оптических излучений передающих энергию и информацию вызванного эффектами генерации континиума и ВКР, схема с совмещенными каналами передачи информации и энергии, при фазовом или спектральном методах уплотнения канала вызывает ухудшение соотношения сигнал/шум информационно-измерительной части датчика. Для устранения этого взаимного влияния, необходимо чтобы блоки уплотнения канала, используемые в этом случае, обеспечивали выделение узкого по спектру информационного сигнала на фоне широкой помехи.
Конкретные схемы построения оптоэлектронных измерительных устройств и датчиков на базе предложенных схем электропитания передающих частей от приемных представлены [1,2].
Библиографические ссылки
1. Кирин И. Г. Специальные радиационно-устойчивые волоконно-оптические и оптоэлектронные датчики и системы. М. : Университет. кн., 2008.148 с.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 2 (73)
2. Кирин И. Г. Оптоэлектронное устройство для измерения тока : авторское свидетельство СССР 1597743 А1, 1990.
3. Новицкий П. В. Динамика погрешностей средств измерений. Л. : Энер-гоатоиздат, 1990. 191 с.
4. Торшина И. П., Якушенков Ю. Г. Выбор приемника излучения при проектировании оптико-электронного прибора : учеб. пособие. М. : Изд-во МИИ-ГАиК, 2017. 58 с.
5. Кирин И. Г. Волоконная оптика. Оренбург : Изд-во ОГУ, 2022. 114 с.
Title: Measuring Systems with Power Supply to the Transmitting Part from the Receiving Part
Authors’ affiliation:
Kirin I. G. - Orenburg State University, Orenburg,Russian Federation
Abstract: In the article, the author presents the results of an analysis of the metrological parameters of optoelectronic measuring systems with power supply to the transmitting parts from the receiving parts through separate and combined channels for transmitting information and energy. It is shown that circuits with separate channels for transmitting information and energy do not deteriorate the metrological characteristics of the information-measuring measuring system and do not impose any restrictions on the structure of its transmitting part associated with its energy consumption. For circuits with combined channels, with phase or spectral channel multiplexing methods, due to the mutual influence of optical radiation transmitting energy and information on each other, a deterioration in the signal-to-noise ratio of the information-measuring part of the sensor occurs due to the effects of continuum generation and stimulated Raman scattering only in in case where the optical radiation power is significant. If the compaction of the channels is temporary, the mutual influence of the channels can be neglected.
Keywords: measuring systems, power supply of transmitting parts from receiving parts, metrological characteristics.
