Автореферат (1091114), страница 3
Текст из файла (страница 3)
ВОДТпредназначен для контактного измерения температуры различных объектов.Температурный диапазон измерений ВОДТ составляет от -50 °С до +500 °С, сдопустимой аболютной погрешностью во всем температурном диапазоне ±1 °С.На основании технического задания утверждены технические условия на ВОДТ(ТУ-1100-311-77951881-2011).Составлено техническое задание на датчик деформации (ВОДД),представляющий собой механическую систему, которая включает в себячувствительный элемент на основе ВБР и механическое устройство,обеспечивающее преобразование деформации объекта в регистрируемуюдеформацию измерительного элемента.
Максимальная измеряемая деформацияпосредством ВОДД составляет 4 мм при установочной базе равной 200 мм, сдопустимой абослютной погрешностью измерений деформации ±20 мкм. Наосновании технического задания утверждены технические условия на ВОДТ(ТУ-7378-540-77951881-2011).Разработана оптоэлектронная схема унифицированного регистрирующегомодуля с малой степенью поляризации выходного излучения, высокой частотой10опроса оптических каналов (Рисунок 2).Рисунок 2. Оптоэлектронная схема УРМИзлучениеисточникапосредствомтрехпортовогооптическогоциркуляторапопадаетнаволоконно-оптическийпереключатель,коммутирующий опорное и измерительное плечи.
Управление переключателемосуществляется с помощью встроенного в УРМ ПК в автоматическом и ручномрежимах. В опорном плече расположен световод с перпендикулярным краспространению света торцом (зеркало), обеспечивающим широкополосноеотражение для измерения опорного спектра источника. Измерительное плечослужит для подключения волоконно-оптических датчиков (ВОД) на основе ВБР.Отраженное излучение (с опорного и измерительного канала) посредствомтрехпортового оптического циркулятора попадает на спектроанализатор, спомощью которого производится измерение спектров.
После оцифровкиизмеренные спектры обрабатываются ПК для получения данных о температуре идеформации ВОД.Типичная процедура нормировки сигнала требует проведения передначалом цикла измерений двух дополнительных процедур, а именнорегистрации спектра темнового сигнала N(λ) (сигнал при выключенномисточнике, т.е.
сумма темнового и шумового сигнала системы) и спектраисточника излучения L(λ), который часто снимается с помощью оптическогопатчкорда типа FC/PC – FC/APC. Спектр отражения ВБР S(λ) при этомвычисляется по формуле:(λ)−(λ)(λ) = )−( ) (3),(λλгде I(λ) – сигнал, полученный непосредственно регистрирующий модульемиз сенсорной системы. Примеры спектров I(λ), L(λ), N(λ) и S(λ) приведены нарисунке 3.11Рисунок 3.
Примеры спектров I(λ), L(λ), N(λ) и S(λ)Поскольку число ВОД, которые можно установить в одном спектральномканале, ограничено характеристиками регистрирующего модуля. Необходиморазмещать ВОД в разные оптические каналы. При этом переключение междуканалами осуществляется при помощи оптических переключателей.Наиболее простым алгоритмом переключения между оптическимиканалами сенсорной системы является циклическое переключение междуканалами, содержащими сенсорные элементы.
При этом каждый из каналовбудет опрашиваться с одной и той же частотой, что обеспечит одинаковуюпогрешность измерений и упростит упорядочивание снятых системой данных.Разработана конструкция волоконно-оптического датчика температуры(ВОДТ). Измерение температуры при помощи датчиков на основе ВБР являетсянаиболее простой технической задачей, так как температура являетсяединственным параметром, требующим измерения. Общая конструкция ВОДТпоказана на рисунке 4.Рисунок 4.
Конструкция ВОД температурыВолоконно-оптический датчик температуры представляет собойволоконный световод с одной записанной решеткой Брэгга ВБР (1) сподавленным обратным отражением от торца световода (8). Датчикпредназначен для контактного измерения температур на промышленныхобъектах. Он упакован в металлическую трубку (2) из нержавеющей стали, длязащиты волокна от механических повреждений. Металлическая трубка (2)зажата цанговым патроном (3) в гайке корпуса (4) с одной стороны, с другой –герметичино запаяна (9).
В гайку корпуса (4) закручена присоединительная гайка12(5), для обеспечения возможности крепления датчика к объекту измерений. Вторцевой части корпуса датчика (6) имеется отверстие, в котором закрепленаоптическая розетка типа FC/APC (7) , для внешнего обеспечения оптическогоподключения датчика к регистрирующему модулю.Разработана конструкция волоконно-оптического датчика деформации(ВОДД), представляющего собой механическую систему, которая включает всебя чувствительный элемент (1) с внедренным в него волоконным световодом(5) содержащим несколько ВБР (2) и механическое устройство (3),обеспечивающее передачу деформации объекта на механическое устройствопосредством крепления базы ВОД деформации (8) к объекту с дальнейшимпреобразованием ее в регистрируемую деформацию чувствительного элемента.Чувствительный элемент закреплен в механическом устройстве элементамикрепления (4), которое закреплено в корпусе (7) ВОД деформации (Рисунок 5).ВОД деформации может быть соединен с УРМ посредством оптическогосоединения разъемами типа FC/APC, через соответствующие разъемы (6) накорпусе ВОД.Рисунок 5.
Схема ВОД деформацииПринцип работы основан на спектральном смещении резонансной длиныволны отраженного оптического сигнала под воздействием деформациичувствительного элемента датчика. Механическое устройство представляетсобой металлоконструкцию, выполненную из нержавеющей стали. Коробдатчика выполнен из алюминиевого сплава.Форма чувствительного элемента (балки) обеспечивает одинаковостьвеличины деформации по всей длине ВБР и снижает требования к точностипространственного расположения ВБР по длине балки. Композиционныйматериал надежно фиксирует ВБР, что делает сформированный таким образомчувствительный элемент удобным для практического использования.Балка (2) фиксируется зажимом (4).
Усилия показаны на рисунке 6стрелочками. Для учета температурных воздействий (или измерениятемпературы совместно с измерением деформации) наиболее удобно разместитьдве ВБР (1) вблизи противоположных поверхностей балки (Рисунок 3.15).13Рисунок 6. Чувствительный элемент ВОДДВ таком случае изгиб балки приводит к разнонаправленному смещениюрезонансной длины волны ВБР, в то время как изменение температуры приводитк однонаправленному сдвигу.Проведена оценка технологических характеристик волоконно-оптическихдатчиков температуры и деформации. Абсолютная погрешность измерениятемпературы не превышает ±1°С во диапазоне температур от -50°С до +500°С.Погрешность измерения относительной деформации не превышает 0.2%,абсолютной деформации ~ 1-2 мкм, с возможностью работы при температуре до+100°С.Четвертая глава посвящена проведению метрологических испытанийволоконно-оптического телеметрического комплекса и апробации его надействующих производственных объектах.В соответствии с разработанной методикой испытаний проведеныметрологическиеиспытанияволоконно-оптическоготелеметрическогокомплекса.Проведена калибровка и проверка волоконно-оптических датчиковтемпературы.
Результаты испытаний представлены в таблице 1. В таблицеприведены результаты сравнения температуры 1 , измеренной ВОДТпосредством УРМ, и 2 , измеренной эталонной термопарой посредством МИТ– 8.15.Таблица 1. Результаты температурных испытанийМИТВОДТ№1№2№3№4№5№6№7№8№9 №102 (°)1 (°)100,1 100,2 100,1 100,0 100,0 100,3 100,2 100,3 100,2 100,1 100,2199,8 199,5 199,6 199,3 199,6 199,7 199,4 199,7 199,4 199,7 199,4299,9 300,2 300,1 300,3 300,1 300,2 300,1 300,2 300,1 300,2 300,1400,1 400,4 400,3 400,5 400,2 400,4 400,0 400,4 400,0 400,4 400,0498,2 498,7 498,1 498,4 498,5 498,3 498,1 498,3 498,1 498,3 498,1По результатам температурных испытаний откалиброванных волоконнооптических датчиков температуры (Таблица 1) были посчитаны абсолютныепогрешности показаний каждого из датчиков (Таблица 2).Таблица 2.
Абсолютная погрешность измерения температурыМИТВОДТ№1№2№3№4№5№6№7№8№9№10142 (°)Абсолютная погрешность измерения |1 (°)|100,10,100,10,10,20,10,20,100,1199,80,30,20,50,20,10,40,10,40,10,4299,90,30,20,40,20,30,20,30,20,30,2400,10,30,20,40,10,30,10,30,10,30,1498,20,50,10,20,30,10,10,10,10,10,1Из таблицы результатов испытаний видно, что абсолютная погрешностькаждого из испытанных ВОДТ удовлетворяет техническому заданию исоставляет менее ±1°С во всем диапазоне измерений температуры.По результатам калибровки и проверке ВОДТ получено свидетельство оповерке №207/12-0434п.Проведена калибровка и проверка волоконно-оптических датчиковдеформации.
Результаты испытаний представлены в таблице 3.Таблица 3. Результаты тестирования датчиков деформацииИЧ-10№1№2№3№4ВОДД№5№6мм№7№8№9№100,000,521,001,502,002,503,003,514,010,001 0,012 0,004 0,003 0,003 0,004 0,005 0,003 0,001 0,0020,521 0,522 0,521 0,522 0,523 0,523 0,524 0,521 0,520 0,5221,001 1,008 1,002 1,004 1,002 1,005 1,007 1,004 1,006 1,0031,506 1,501 1,502 1,502 1,502 1,501 1,505 1,506 1,504 1,5032,007 2,001 2,003 2,003 2,004 2,004 2,006 2,006 2,004 2,0042,503 2,503 2,504 2,501 2,507 2,504 2,505 2,507 2,506 2,5032,997 2,995 2,996 2,998 2,996 2,996 2,998 2,997 2,999 2,9973,511 3,509 3,512 3,510 3,512 3,513 3,514 3,513 3,513 3,5104,009 4,012 4,011 4,010 4,013 4,009 4,008 4,009 4,007 4,011По результатам тестирования откалиброванных волоконно-оптическихдатчиков деформации (Таблица 3) были посчитаны абсолютные погрешностипоказаний каждого из них (Таблица 4).Таблица 4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
