Многоканальный дискретный преобразователь уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами

Актуальность работы. В настоящее время для тарировки баков ракетоносителей, заправки баков ракетным топливом и определения уровня топлива в полете на ракетоносителях используются различные виды преобразователей уровня жидкости (ПУЖ): для тарировки баков используется дискретный контактный ПУЖдля заправки ракетоносителя топливом — индуктивный ПУЖ, который определяет уровень жидкости в верхней части бакаемкостной дискретный ПУЖ предназначен для определения уровня топлива в полете.

Применение унифицированного ПУЖ для этих задач затруднено, поскольку требования различны. Так, например, дискретный контактный ПУЖ нельзя использовать с горючими и взрывоопасными жидкостями. Для индуктивного ПУЖ обязательно наличие поплавка, а это, в свою очередь, накладывает специфические требования на сферу его применения. Характеристики емкостных ПУЖ сильно зависят от условий окружающей среды и параметров кабельной сети.

Поэтому разработка унифицированного ПУЖ, способного заменить вышеуказанные преобразователи и пригодного для использования при тарировке бака, заправке ракетоносителя и определении уровня топлива в полете, является актуальной задачей.

Цель работы состоит в разработке дискретного ПУЖ на основе модифицированных волоконных световодов, не имеющего подвижных частей, способного работать в пожарои взрывоопасных средах, в условиях электромагнитных помех.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие частные задачи исследования: разработать структурную и функциональную схему преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами (далее преобразователя) — разработать математическую модель преобразователяисследовать влияние изменения параметров преобразователя на его характеристикипровести анализ влияния внешних возмущающих воздействий на преобразовательразработать методику расчета параметров преобразователяпровести экспериментальные исследования характеристик преобразователя.

Методы исследования. При выполнении работы применялись аналитические методы, которые основывались на теории распространения света по волоконным световодам. Численные методы использовались при анализе характеристик, определении области допустимых параметров и расчете погрешностей преобразователя. Экспериментальные методы исследования применялись для подтверждения адекватности' разработанной математической модели.

Научная новизна. Разработана структурная и функциональная схема преобразователя, обеспечивающего определение наличия жидкости в нескольких точках с помощью одного волоконного световода и позволяющего осуществлять дискретное измерение уровня жидкости на основе волоконных световодов с последовательными изгибами. Разработана математическая модель преобразователя, в которой учтено взаимодействие оптического излучения, распространяющегося в световоде, с исследуемой средой, окружающей каждый изгиб световода, с помощью коэффициентов взаимодействия световод — внешняя среда. Исследован эффект каплеобразования, • вызывающий изменение выходного сигнала при извлечении изгибов световода из жидкости. Исследованы основная и дополнительная погрешности преобразователя, определены условия, обеспечивающие его функционирование. Предложен способ компенсации влияния внешних возмущающих воздействий путем определения текущего показателя преломления жидкости и газа и корректировки коэффициентов взаимодействия световод — внешняя среда.

Практическая ценность. Разработан алгоритм оптимизации параметров преобразователя, позволяющий обеспечить максимальное изменение выходного сигнала преобразователя, вызванное полным погружением последнего изгиба световода. Получено выражение, позволяющее определить радиусы изгибов световода для обеспечения одинаковой чувствительности преобразователя во всем диапазоне измерения. Определен коэффициент каплеобразования для воды при различной ориентации плоскости изгиба световода преобразователя. Разработана методика расчета параметров многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами. Проведено экспериментальное исследование характеристик преобразователя уровня жидкости с тремя изгибами волоконного световода.

Результаты работы использованы в опытно-конструкторских работах ФГУП ГосНИИ Приборостроения. Макеты преобразователей использованы при разработке стенда, имитирующего процесс заправки топливных баков окислителя и горючего ракетоносителей.

Автор защищает:

— структурную и функциональную схему многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконных световодов с последовательными изгибами, каждый из которых обспечивает определение наличия жидкости в нескольких точках;

— математическую модель преобразователя, в которой учтено взаимодействие оптического излучения, распространяющегося в световоде, с исследуемой средой, окружающей каждый изгиб световода, и влияние эффекта каплеобразования на выходной сигнал преобразователя;

— алгоритм оптимизации параметров преобразователя, позволяющий обеспечить максимальное изменение выходного сигнала преобразователя, вызванное полным погружением последнего изгиба световода;

— способ компенсации влияния внешних возмущающих воздействий путем определения текущего показателя преломления жидкости и газа и корректировки коэффициентов взаимодействия световод — внешняя среда в математической модели;

— методику расчета параметров многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, позволяющую получить структурную схему преобразователя, определить конструктивные и оптические параметры световодов, определить коэффициенты передачи по каждому из каналов измерения и константы, необходимые для написания программы микроконтроллера.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на.

4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика — 2005», 10−13 октября 2005 г, г. Москва;

5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика — 2006», 23−26 октября 2006 г., г. Москва;

Российско-Китайской международной конференции по проектированию Аэрокосмической техники, г. Москва, 2007 г.;

7-ой международной конференция «Авиация и космонавтика — 2008», 20−22 октября 2008 г., г. Москва;

Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления», 10−12 ноября 2008 г., г. Москва.

XVIII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 1825 сентября 2009 г., г. Алушта;

8-ой международной конференция «Авиация и космонавтика — 2009», 26−29 октября 2009 г., г Москва.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе две статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и четырех глав. Изложена на 159 страницах, содержит 74 рисунка, список использованных источников — 54 наименования и 2 приложения.

Основные результаты работы.

В результате выполнения данной работы были получены следующие научные и практические результаты.

Разработана структурная и функциональная схема многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, обеспечивающего определение наличия жидкости в нескольких точках с помощью одного волоконного световода и позволяющего осуществлять дискретное измерение уровня жидкости на основе волоконных световодов с последовательными изгибами.

Разработана математическая модель дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, в которой учтено взаимодействие оптического излучения, распространяющегося в световоде, с исследуемой средой, окружающей каждый изгиб световода, с помощью коэффициентов взаимодействия световод — внешняя среда. Учтено влияние эффекта каплеобразования, возникающего при извлечении изгибов световода из жидкости, на характеристики преобразователя уровня жидкости путем введения коэффициента каплеобразования в математическую модель.

Разработан алгоритм оптимизации параметров преобразователя, позволяющий обеспечить максимальное изменение выходного сигнала преобразователя, вызванное полным погружением последнего изгиба световода. Получено выражение, позволяющее определить радиусы изгибов световода для обеспечения одинаковой чувствительности преобразователя во всем диапазоне измерения. Совместное выполнение данных требований позволяет осуществить определение 50.60 уровней жидкости с помощью одного волоконного световода при нормальных условиях эксплуатации.

Показано, что основная погрешность преобразователя уровня жидкости определяется эффектом каплеобразования (от -2,2 до 8,3% от выходного сигнала, в зависимости от ориентации преобразователя), погрешностью канала определения мощности источника излучения (0,5%) и погрешностью преобразования электронного блока обработки информации (0,2%).

Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние внешних возмущающих воздействий на выходной сигнал. В результате исследований установлено, что влияние изменения температуры (в диапазоне от -70 до +80 °С) и давления (в диапазоне от 1−105 до 30-Ю5 Па) на волоконно-оптический световод вызывает изменение выходного сигнала менее, чем на 0,1%. Изменение температуры жидкости в диапазоне от -70 до +80 °С вызывает изменение выходного сигнала полностью погруженного преобразователя с коэффициентом от -0,42%/°с (для 3 контролируемых точек) до -0,79 °7%с (при 20 контролируемых точках) относительно выходного сигнала при +20 °С. Влияние давления на параметры жидкой и газовой сред в резервуаре в диапазоне от 1-Ю5 до 30-Ю5 Па вызывает изменение выходного сигнала преобразователя на -1,07% - для сухого и -3,65% - для полностью погруженного преобразователя (при 10 контролируемых точках) и возрастает с увеличением количества изгибов.

Предложен способ компенсации влияния внешних возмущающих воздействий путем определения текущего показателя преломления жидкости и газа и корректировки коэффициентов взаимодействия световод — внешняя среда в математической модели. Применение данного способа позволяет уменьшить температурную погрешность преобразователя с 37,5% до 1,1% при температуре -70 °С.

Проведено экспериментальное исследование характеристик преобразователя уровня жидкости с тремя изгибами волоконного световода. Отклонение экспериментально полученной зависимости выходного сигнала преобразователя уровня жидкости от расчетной составляет около 4,6%. Проведены экспериментальные исследования влияния температуры на измерительный преобразователь с тремя изгибами световода. Отклонение экспериментально полученной зависимости выходного сигнала преобразователя уровня жидкости от расчетной составляет около 18% в диапазоне измерения -57 °С до +80 °С. Исследован эффект каплеобразования, возникающий при стекании жидкости, и определено время срабатывания преобразователя. Определен коэффициент каплеобразования для воды при различных углах между плоскостью изгиба световода и вектором силы тяжести.

Разработана методика расчета параметров многоканального дискретного преобразователя уровня жидкости на основе волоконного световода с последовательными изгибами, которая, на основании требуемой точности определения уровня жидкости, информации о параметрах жидкости и газа, величине внешних возмущающих воздействий, погрешности преобразования электронного блока, позволяет получить структурную схему преобразователя и определить конструктивные и оптические параметры световодов, определить коэффициенты передачи по каждому из каналов измерения и константы, необходимые для написания программы микроконтроллера. Приведены примеры расчета преобразователей с помощью разработанной методики.