Схемотехника совершенствования мутнометрии жидких или газообразных сред Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ос /лггттггт г: г/теш глт г:

UU/ 3(71),2013-

Г.

УДК 681.7.068: 66.063.62 Поступила 08.05.2013

е. и. мАрукОВич, итмнАнБеларуси, с. с. сЕрГЕЕВ, А. П. ЫАрШВ, к. ЗАхАрОВА, Белорусско-российский университет, А. Г. стАрОВОйтОВ, руП «могилевэнерго»

СХЕМОТЕХНИКА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МУТНОМЕТРИИ ЖИДКИХ ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД

рассматриваются модели и схемные реализации информационно-преобразовательных процессов оптико-волоконной мутнометрии.

Models and circuit realizations of information and transforming processes of optical-fibrous turbidimetry are considered.

Введение. Применительно к задачам оперативной оценки состояния жидких и газообразных сред и масел неразрушающие методы и средства мутнометрии в большей мере соответствуют условиям автоматизированной обработки распределенной в пространственно-временных координатах среды первичной информации. Техника и технологии не-разрушающего контроля предполагают оценку реального состояния без изменения структуры, свойств и параметров среды [1].

Оперативная информация о текущем состоянии среды обеспечивает возможность анализа производственных потерь, брака и отказов, а также позволяет выявить причины и механизмы загрязнений, проконтролировать и управлять состоянием среды и работоспособностью механизмов и машин.

Газообразные и смазочно-охлаждающие среды, а также технические масла как активная составляющая технологических процессов влияют и на весь производственный процесс, его эффективность, затратность и рентабельность. Досрочная замена, как и продолжительное использование масел с превышением установленных регламентов, снижают потенциальные возможности действующего оборудования и не исключают аварийных ситуаций.

Многофакторная зависимость работоспособности различных агрегатов определяется состоянием масел, коллоидных растворов, эмульсий, суспензий, охлаждающих жидкостей, для оценки качества которых используются методы и средства мутнометрии.

Современные способы мутнометрии и их схемная реализация. В ряде отраслей машино-

строения, целлюлозно-бумажной, нефтехимической, пищевой и других отраслях определение наличия концентраций взвесей в жидких, газообразных и других неоднородных средах и маслах имеет важное значение. Неоднородные среды являются слабо электропроводной системой и ее электропроводимость зависит определенным образом от содержания дисперсной фазы и плотности.

Первичная информация о состоянии неоднородных сред формируется на различных физических эффектах спектрально-энергетического взаимодействия однородной фазы и неоднородностей. Для оценки наличия и концентрации металлических включений используются емкостные и индукционные признаки изменчивости среды. Чувствительность такой проявляемости неоднородностей ограничивается обнаруживаемостью разностей плотностей и проводимостей. Неоднозначность и многофункциональная зависимость проводимости от степени загрязнения среды, нестабильность температурных флуктуаций и других случайных воздействий ограничивают применимость электромагнитных методов оперативной мутнометрии.

Сложность реализации калометрических кон-центратомеров, их громоздкость и энергоемкость при значительных энергозатратах и инерционности лишают потребительского спроса и практического применения.

В ультразвуковых и радиоактивных методах неразрушающего контроля сред используется спектрально-энергетическая изменчивость излучения, воздействующего на среду. На проходящий через среду поток излучения влияют коэффициенты поглощения однородной среды и примесей,

размеры и форма частиц и дисперсной фазы, спектр излучения, способность среды поглощать или рассеивать воздействующее излучение и другие факторы. Конструктивные ограничения данного диапазона спектра обусловливают габаритность и энергозатратность такой мутнометрии.

Отсутствие непосредственного контакта, высокая точность и быстродействие, более высокий уровень автоматизированной обработки информации обеспечивают перспективу совершенствования оптико-электронной мутнометрии. Оптическая фотометрия и спектроскопия неоднородных сред успешно осваивают новые направления и схемные реализации преобразований первичных признаков изменчивых неоднородностей в отображения общепринятого вида. Рассеяние и поглощение излучения представляют динамический процесс информационного взаимодействия неоднородной среды и воздействующего излучения. Рассеянный свет представляет собой совокупность вторичных волн лучистого потока, воспринимаемых как собственное свечение неоднородной среды. И для эффективных параметрических преобразований информативных излучений необходимо управляемое спектрально-энергетическое взаимодействие всех компонент лучистого потока.

Модели взаимодействия излучений с неоднородной средой. В таких моделях отражается специфика физических свойств однородной и неоднородной (дисперсной) фаз. В различиях изменчивости физических параметров среды проявляется информационно-физический контраст, присущий некоторым признакам и эффектам взаимодействия излучений с неоднородностями. По характеру взаимодействия однородной среды и неоднородно-стей с энергией воздействующих внешних излучений формируются дифференцированные источники первичной информации.

Более эффективно изменчивость среды проявляется в спектрально-энергетическом взаимодействии лучистого потока с неоднородностями. Неоднородная среда может пропускать, поглощать и рассеивать по-разному все компоненты воздействующего излучения видимого диапазона и примыкающих к ним ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра. Изменчивость среды и соответствующие изменения излучения при воздействии на среду в общем случае обусловлены отражением, преломлением и дифракцией на рассеивающих неоднородностях. В отличие от поглощения в рассеянии не наблюдается переход энергии в другие виды. Тогда для рассеяния аналогично с поглощением вместо показателя поглощения а можно использовать показатель рассеяния Е,. Если в процес-

г,пт:п г: г/^шлтггг. /07

-3(71), 2013/ ЩМЖ

се формирования первичной информации имеют место поглощение и рассеяние, тогда пользуются показателем ослабления:

ц = а + £, или х = ,

где I - толщина элементарного потока.

Для неоднородных сред их светорассеивающая способность определяется неоднородностями в исследуемом объеме. Она характеризуется показателем рассеяния самого излучения. Подобно показателю поглощения, показатель рассеяния в основном зависит от размеров неоднородности и длины волны воздействующего излучения. Как поглощение, так и рассеяние уменьшают мощность проходящего излучения. Тогда информативный поток равен:

Фи=Ф0еЛ

где ц - показатель ослабления; I - толщина элементарного слоя.

Поток излучения любого спектрального состава представляет собой суммарный поток большого числа монохроматических излучений с мощностями dP = РхdX . При этом каждая из составляющих оказывает свое специфическое воздействие и отраженная, пропущенная и поглощенная мощности связаны с соответствующими коэффициентами р(Х), т(Х) и а(Х), т. е. р(Х^Р, т(Х^Р, а(Х^Р. Тогда формируемый при взаимодействии излучения Ф0 с неоднородной средой информативный поток равен:

Ф0 = Щ(Х)Рх<П.,

а составляющие информативные потоки соответственно

Фао,=к1р(хпх)Рхс1К фа„р =К1<ХУ(Х)Рхс1Х,

фип2н^удал

где У(Х) - относительная спектральная чувствительность светоприемника; К - максимальная световая эффективность воздействующего излучения.

В общем случае световая эффективность излучения определяется его спектральным составом и чувствительностью светоприемника. Для излучения, не-содержащего в потоке видимой части спектра, световая эффективность излучения равна нулю.

Для излучения сложного многокомпонентного спектрального состава световой поток источника включает в себя элементарные световые потоки всех его монохроматических составляющих:

Ф0 =Кт\У{Х)Р^Х.

о о//хтт* г: кгткштггг

UU/ 3(71),2013-

Такая особенность позволяет эффективно реа-лизовывать способы и средства спектрально-энергетического взаимодействия излучений с неоднородной средой.

Информационно-физические особенности оптико-электронной мутнометрии. Непосредственной задачей оптико-электронной мутнометрии является обнаружение и визуализация фактического состояния неоднородной среды.

При этом обеспечивается количественная и качественная оценка свойств неоднородностей, изменяющих физико-технические параметры однородной среды с технологически нормированными допусками.

За счет спектрально-энергетического излучателя при взаимодействии с неоднородностями формируется отображаемый неоднородной средой лучистый поток. Как носитель первичной информации лучистый поток характеризуется абсолютным значением (амплитудой, интенсивностью) этого потока и характером его спектрально-энергетического распределения. Соответственно и способы мут-нометрии подразделяются на абсолютные, энергетические, относительные и спектрального отношения.

Если для энергетических способов прием и измерение интенсивности лучистого потока осуществляются в одном участке спектра излучения, то в спектральных - в большом (более двух) спектральном диапазоне. Тогда и способы спектрально-энергетического взаимодействия подразделяются на:

• интегральные, при приеме излучения с АХ ^ да;

• селективные, при приеме частичного излучения (монохроматические) с АХ = const и АХ ^ 0;

• спектральные, при приеме спектрально окрашенного излучения от нескольких источников (цветовые);

• смешанные, при приеме многоспектрального (многоцветного) излучения.

В этих способах мутнометрии первично отображаемое неоднородной средой излучение преобразуется в соответствующий носитель информации, визуализирующий фактическое состояние среды и комфортно воспринимаемый приемником (наблюдатель, система и другие средства). При этом информативное излучение, отражающее характер взаимодействия излучения с неоднородностя-ми среды, определяется эффективным лучистым потоком и коэффициентом Тх спектрального согласования (восприятия и пропускания системой). В эффективном лучистом потоке находит отражение количественная сторона физико-технического взаимодействия излучения с неоднородностями, а в спектральном распределении - качественная.

В общем случае абсолютное значение информативного лучистого потока Ф-к характеризуется эффектом суммарного воздействия на среду и может быть представлено выражением:

00 о

где ^ - эффективный коэффициент использования отображаемого средой лучистого потока; Ьх - плотность энергии отображаемого средой излучения; т-к - коэффициент спектрального преобразования излучения при взаимодействии со средой.

Из этого выражения следует, что для определения эффективного потока Фе в зависимости от принятого информативного параметра неоднородной среды необходимо вычислить интеграл:

00

фе =

о

При этом неопределенность в функциональной зависимости Ьх и т^ ограничивает возможность установления функциональной связи между Фе и физико-техническим состоянием неоднородной среды. Однако с учетом специфики неоднородно-стей и их спектрально-энергетического взаимодействия с излучением можно получить аналитические выражения Фе для различных по природе и геометрии неоднородностей в ограниченных диапазонах спектра и для каждого тх .

Аппроксимируя зависимость коэффициента спектрального преобразования по выбранным спектральным участкам X, и Хг+Ь получаем зависимости т^ и Тхг+1 для этих участков.

Для некоторой эффективной длины волны Хэф отражаемое средой излучение более достоверно отображает состояние и свойства как неоднород-ностей, так и неоднородной среды. Именно в информативном излучении (его параметрах) и спектральном распределении лучистого потока сосредоточивается основная первичная информация. Тогда в сравнении экстремальных значений лучистых потоков Фэф и Фоп (опорный поток с минимальными значениями параметров) для ограниченного участка спектра более эффективно реализуется информационно-преобразовательный процесс.

Для решения задачи выбора участков эффективной длины волны и опорной необходимо исследовать спектрально-энергетические особенности информативного лучистого потока во всем спектральном диапазоне взаимодействия излучений и неоднородностей. Эффективность проявления физико-технических свойств неоднородной среды во многом обусловлена характером спектрально-

энергетических взаимодействий воздействующего излучения и информационно-физических преобразований первичной информации. В сравнении информативного излучения для Хэф, в котором сосредоточена оптически контрастная зона и Хоп, выступающего в роли фона, особенно проявляется качественная сторона неоднородной среды.

При спектрально-энергетическом воздействии селективного излучателя с варьируемыми отраженное и рассеянное излучение как результат взаимодействия с неоднородностями представляется совокупностью элементарных излучателей в виде разносветящихся точек. В свою очередь поглощенная часть энергии излучения преобразовывается в другие виды. Тогда по соотношению лучистых потоков поглощенного неоднородностями, рассеянного ими и пропущенного средой определяется долевое значение каждой составляющей в информативном излучении.

Долевое спектрально-энергетическое распределение составляющих информативного излучения зависит от природы, структуры, геометрии и концентрации неоднородностей, а также от соотношения спектральных составляющих воздействующего на среду излучения.

Структура и схемы первичных преобразований. Функциональное назначение устройств, связанных со средой и первичной информацией, определяется структурно-алгоритмической реализацией оптико-электронных преобразований и пространственно-распределенной обработкой информативных излучений.

Для схемных реализаций управляемого взаимодействия излучений с неоднородностями необходима информационная среда передачи, смешивания и разделения лучистых потоков, входящих в воздействующее на неоднородности излучение. При большом многообразии неоднородностей и неоднородных сред дифференцированное взаимодействие их с различными компонентами спектрально-энергетического излучения позволяет эффективно идентифицировать количественные и качественные показатели среды и строить управляемый процесс трансформации информативных излучений. В таких структурах имеется реальная возможность варьировать параметрами и схемами информационно-физических преобразований уже на первичном уровне [2].

Методы и технологии волоконной оптики в комбинации с оптико-электронными импульсными и лазерными излучателями, современными фотоприемниками и источниками энергии позволяют строить информационно-измерительные каналы, адаптированные к отдельным структурам, опера-

г, къш^ст I оо

-3(71), 2013/ 11«

циям, технологическим процессам и неоднородным средам. Более простыми по структуре и в схемной реализации являются способы, основанные на прямых преобразованиях по одноканальной схеме. В них излучение одного источника с выбранными спектрально-энергетическими параметрами кана-лируется световодным излучателем с направленным воздействием на неоднородную среду. Формируемое при взаимодействии информативное излучение локализуется и каналируется для направленной передачи непосредственно на фотоприемник [3].

В такой структуре информационный канал строится на последовательном преобразовании и передаче компонент информативного излучения, при котором выходная величина предшествующего элемента одновременно и последовательно воспринимается как входная величина для последующего элемента (рис. 1). Излучение источника мощностью Ро световодным каналом воспринимается мощностью Ри системой оптических моноволокон, сформированных в виде световодного излучателя. Излучатель ориентированно воздействует на неоднородную среду, где в процессе взаимодействия формируется первичная информация. Информативное излучение воспринимается световодным приемником, непосредственно связанным с фотоприемником.

В схеме прямого преобразования излучение мощностью Ри источника 1 по световоду 2 расщепляется моноволокнами на элементарные световые потоки, которые непосредственно взаимодействуют с некоторым ослабителем 3. В качестве ослабителя выступает калибровочный ослабитель при испытаниях или поверке, или технологическая проба неоднородной среды при контроле. Результат взаимодействия проявляется в выходном излучении, которое по приемному световоду 4 передается элементарными моноволокнами на вход фотоприемника 5 (рис. 1).

В такой структуре излучение источника направленно воспринимается и каналируется системой оптических волокон (излучательный световод). Калибровочный ослабитель (объект, эталон), встраиваемый в измерительную цепь, непосредственно воздействует на воспринятое излучение. Информативное излучение на выходе воспринима-

Рис. 1. Схема прямого световодного преобразования: 1 - источник излучения; 2, 4 - световоды; 3 - среда; 5 - фотоприемник

л п ггтт* г: ктм?? гтггг

Ч11/з (71), 2013-

ется системой оптических волокон (приемный световод) и передается на приемник излучения.

Полная мощность Ри источника излучения в телесном угле 2п равна:

Ри = Ътг?Ьеп, Ря = 2к5эЬе,

где Ье - энергетическая яркость излучения источника; гс - радиус сердцевины моноволокна:

где ^ - эффективная площадь приемной части световода; п - число моноволокон.

Фактически по такой схеме оценка мутности среды строится на измерении коэффициента ослабления тоб по двукратному измерению мощности излучения Рв с калибровочным ослабителем Р2в и пробой неоднородной среды Р1в. Значения этих мощностей определяются выражениями:

= ^вт1вт0бт2в^> Р2в = 'Рвт1втклт2в^'

где k - коэффициент ослабления калибра (образца, эталона).

Соотношение мощностей в схеме прямого преобразования с пробой и калибром равно: Р т

кс = = - коэффициент ослабления среды. ^2в ткл

При этом погрешность преобразования составляет:

Акс Ак0 + Ак + Ах

kс к к х

Интегральная составляющая Ах / х учитывает точность преобразователя, связанную с погрешностью отсчета результатов (погрешность шкалы), чувствительностью приемника, воздействием фона, а также с флуктуацией мощности источника:

Ах = Ахиз + Ахш + к АР,

где - погрешность измерительного преобразователя; Дхш - воздействие шума приемника; АР -флуктуации источника излучения.

Тогда полная максимальная погрешность всего волоконно-оптического тракта прямого преобразования определяется выражением:

Акс = Ак0 Ах0 Ьк | Ахиз

, Хиз ,

2АР0

к^ ^ Хо Хр к х х Р0

Таким образом, при построении световодного тракта по схеме прямого преобразования увеличение погрешности связано с нелинейностью функции преобразования и нестабильностью источника

излучения. С увеличением пути прохождения I излучения через среду соотношение мощностей изменяется и погрешность отсчета (шкала отсчета увеличивается) уменьшается. При этом в схеме прямого преобразования даже с увеличением пути I излучения влияние нелинейности и нестабильности источника не устраняется

где Tjjjj, т0 - соответственно калибровочный параметр пропускания эталона и среды.

В схемах преобразователей, построенных на проходящем излучении, световоды используются для направленной передачи излучения источника к приемнику и приема информативного излучения Фпр. В таких схемах модулированное неоднородной средой излучение на выходе световода определяет его контролируемые параметры и свойства.

Для таких структур преобразователей выходной световой поток Фв определяется выражением:

Фв = ЕФпрг = S3Í1lLe Sin2 ^TjTо6т2кх,

где - эффективная площадь входного торца осветительного световода:

^эi = ^"в ;

пв - число волокон выходного торца; Le - яркость источника излучения; Авх - числовая апертура, определяющая максимальный угол, который может быть принят данной системой; хоб, Т2 -соответственно коэффициент светопропускания осветительного световода, среды и приемного световода; Ък - спектральная чувствительность приемника излучения и фильтра.

Данная зависимость показывает, что первичная информация, формируемая по такой схеме, определяется тремя группами факторов: состояние и свойства неоднородной среды; элементы оптической схемы (S ть т2, k}); среда, передачи излучения от предыдущего к последующему элементу системы.

При этом суммарная погрешность преобразования и передачи информативных излучений определяется и помехами каждого отдельно взятого элемента измерительной цепи при их последовательном соединении.

В двухканальной схеме с пространственным разделением световодов (рис. 2) наряду с каналом формирования первичной информации вводится дополнительный (избыточный) эталонный канал. Выходной поток Фпрг- информационного канала, образованного источником излучения 1, светово-

/;гггт:гг: ктмжш /Д1

-3(71), 2013 /41

тоб

Sxэ Фрпр

1L2 ^Я,

Ф.

Представленная схема при некотором структурном усложнении обеспечивает улучшенные метрологические характеристики преобразователей при расширенных функциональных возможностях. Принцип относительных измерений в таком преобразователе упрощает процесс мутнометрии, особенно операций градуировки и испытаний мут-номеров.

В схеме двухлучевого преобразования в качестве образца (эталона) используется регулируемый ослабитель с линейным или функциональным преобразованием (рис. 3).

Однако из-за погрешностей образцового ослабителя (эталона) полной компенсации мощностей в двухлучевом преобразователе достигнуть невозможно. Тогда абсолютная погрешность тако-

Рис. 3. Схема двухлучевого компенсационного преобразователя

го преобразователя рассчитывается следующим образом:

Рис. 2. Схема двухканального оптического преобразователя: 1 - источник излучения; 2, 5 - световоды; 3 - среда;

4, 7 - световод приемный; 6 - эталон

дами 2, средой неоднородной 3 и приемным световодом 4, определяет характеристики объекта контроля. Избыточный канал, выступающий в виде опорного, образуется световодами 5, эталоном или образцом 6 и приемным световодом 7, имеющим све-топропускание Т2. При этом световой поток Фопр несет информацию о характеристиках однородной среды.

В данной схеме информативный поток Фпр определяется выражением:

фпр = Ефпр1- = вш2 авАоТэ,

а соотношение световых потоков информационного и опорного каналов определяет коэффициент пропускания неоднородной среды как объекта:

р

AP = р —

P

Ч То + Ато

где т0 - погрешность образцового регулируемого ослабителя; тх - измеренное ослабление неоднородной среды.

Представим относительную погрешность образцового регулируемого ослабителя в виде:

Ахп

Тп

Тогда

р

AP = р — т

P

P

Ахп

1 + р

"о у

Таким образом, изменяя в поперечном направлении положение х эталонного ослабителя относительно светового луча, добиваются полной компенсации мощностей (нулевого значения индикатора).

Существенное влияние оказывает чувствительность ослабителя. Очевидно, при в << 1 Д£с <<

р

а погрешность шума Д/^ < ДР<— Р и величина

т <

тах

ЛРШ

В таких схемах разбаланс в двухлучевом преобразователе может появляться из-за неточности установки равенства интенсивностей, если флуктуации источника очень велики. Тогда неточности согласования в плечах световодного преобразователя значительны и результирующая погрешность оценивается зависимостью:

тр+Атр

где Д/J, - флуктуации источника излучения; тр -флуктуации разбаланса.

ДО/ЙММК!

"•Л/ 3(71), 2013-

„ АР

Представим -= у - относительная погреш-

Ро ^

ность источника излучения. Тогда

АРи=^Р(1 + у),

АРИ-АР<—, 1 + у--— <-1— ,

и к 1 1 + р к(1 + Р)

1 + У<-\I 1 +1 | при р<< 1, у<у.

1 + р^ к) к

Таким образом, для компенсационного метода и схем построения световодного преобразователя относительная погрешность исключительно определяется погрешностью образцового ослабителя:

АР _ АРх

Р Р

А0 1 х

Разновидностью компенсационной схемы двух-лучевого преобразователя является двухканальная схема с временным разделителем оптических каналов.

В двухканальной системе временное разделение каналов строится на поочередной подаче светового потока в информационный канал и канал сравнения. По соотношению потоков Фопр и Фв находим коэффициент пропускания неоднородной среды:

Тэ Ф0пр

ЪЪ фв

С учетом метрологических и информационных характеристик выбирается та или иная схема све-товодных преобразователей применительно к задачам оперативной мутнометрии жидких и газообразных неоднородных сред.

Выводы

1. В решении стратегических задач контроле-обеспечения и контролеспособности неоднородных сред определяющую роль играют схемотехника и технологии оперативного контроля. Для оперативного контроля особенно в полевых и нестационарных условиях весьма эффективна световодная мутнометрия. Мобильная переносная и портативная аппаратура существенно сказывается на трудоемкости и затратности при улучшенной эргономике. Техника и технологии мутнометрии в большинстве своем представляют весьма напряженную и рутинную работу, требующую ответственных и высококвалифицированных исполнителей.

2. С учетом пространственно-временной неопределенности в зарождении и распределении неодно-родностей среды особенно перспективны переносные мутномеры погружного типа. Путем зондирования среды обеспечивается возможность оценки ее состояния в любой зоне, что позволяет выявить топологию сосредоточения неоднородностей, динамику нарастания мутности и оперативно принимать решения по дальнейшему ее использованию.

3. В технико-экономическом отношении более употребительными и конкурентоспособными являются компактные, не габаритные, низко энергозатратные и нематериалоемкие, надежные в эксплуатации и простые в обслуживании оптико-волоконные мутномеры. Структура и схемы информационно-преобразовательных операций в них неразрывно связаны с окружающей средой, средой трансформации и дистанцирования информативных излучений, средой дестабилизирующих внутри- и внешнесистемных воздействий. И вся эта структурно-алгоритмическая реализация оптимально согласовывается по спектрально-энергетическим параметрам и характеристикам.

Литература

1. М а р у к о в и ч Е. И. Некоторые направления совершенствования технологического контроля в литейном производстве оптоволоконными средствами / Е. И. Марукович, А. П. Марков, Д. А. Горбунов, А. А. Кеткович и др. // Литье и металлургия. 2006. № 2. Ч. 2. С. 107-111.

2. С е р г е е в С. С. Некоторые особенности информационного анализа и синтеза волоконно-оптических систем технологического контроля / С. С. Сергеев, А. И. Потапов, А. П. Марков, А. В. Коннов // Вестник МГТУ 2006. № 2 (11). С. 164-168.

3. М а р к о в А. П. Анализ схем световодных преобразователей / А. П. Марков, А. Г. Старовойтов, А. И. Потапов // Нераз-рушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий: Межвуз. сб. СПб: СЗТУ. 2004. Вып. 10. С. 3-12.