Спосіб надлишкових вимірювань тиску

Спосіб надлишкових вимірювань тиску, що полягає у формуванні направленого потоку оптичного випромінювання Ф 0 у заданому діапазоні довжин хвиль, модуляції його потужності невідомим за значенням тиском р х, перетворенні потужності модульованого потоку оптичного випромінювання Фм у напругу UФ, її вимірюванні і запам'ятовуванні з подальшим визначенням дійсного значення тиску р х за рівнянням вимірювання, який відрізняється тим, що спочатку потужність потоку оптичного випромінювання Ф 0 модулюють тиском p 1, значення якого дорівнює значенню атмосферного тиску pн ({p1}={pн}), перетворюють потужність першого модульованого потоку оптичного випромінювання Ф м1 у напругу UФ1, вимірюють її і запам'ятовують, потім потужність потоку оптичного випромінювання Ф 0 модулюють тиском р2, значення якого встановлюють за умовою {р2}=0,5{pх}+{pн}, перетворюють потужність другого модульованого потоку оптичного C2 2 UA 1 U Ф3 U 1 k 2 UФ4 U 1 , 3 де k1 = 1, Sл1 S л2 90045 4 k2 = 2, k2 2 p0 x U 5 2 p0 x p0 x U 6 k2 p ln 0 x p0 p0 x U U 1 U 5 p0 p0 x U p0 p 0 U U 5 U 5 6 7 U U 1U 5 U U 2 k 2 p0U 5 7 5 Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути застосований при реалізації високоточних оптико-електронних методів вимірювання тиску. Відомий спосіб вимірювання тиску (а. с. 5 №1500889 СССР, МКИ G01L11/00. Датчик давления / В.А. Раков, В.Г. Тимошенко, Е.Ф. Волосожар. - №4350110/24-10; Заявл. 17.11.87; Опубл. 15.08.89. Бюл. № 30. - 3с.), який оснований на формуванні направленого потоку оптичного випромінювання 0 у заданому діапазоні довжин хвиль, модуляції його потужності невідомим за значенням тиском рх, перетворенні потужності модульованого потоку оптичного випромінювання м у напругу U , її вимірюванні і запам'ятовуванні з подальшим визначенням дійсного значення тиску рх за рівнянням вимірювання. Відомий спосіб не дозволяє забезпечити високу точність вимірювання дійсного значення тиску. Причинами цього є нелінійність і нестабільність функції перетворення тиску у потужність потоку оптичного випромінювання, а також нелінійність і нестабільність функції перетворення потужності модульованого потоку оптичного випромінювання у напругу, які призводять до появи похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки. Відомий спосіб вимірювання тиску (А. с. 1796937 SU, МПК G01L11/00. Волоконнооптический датчик давления / Ε.Μ. Белозубов (SU), В.С. Полунин (SU). - №4907744/10; Заявл. 25.12.1990; Опубл. 23.02.1993. Бюл. №7. - 3с.), який оснований на формуванні направленого потоку оптичного випромінювання 0 у заданому діапазоні довжин хвиль, модуляції його потужності невідомим за значенням тиском рх, перетворенні потужності модульованого потоку оптичного випромінювання м у напругу U , її вимірюванні і запам'ятовуванні з подальшим визначенням дійсного значення тиску рх за рівнянням вимірювання. Відомий спосіб також не забезпечує високу точність вимірювання. Причинами, що заважають досягненню поставленої задачі підвищення точності вимірювання, є нелінійність і нестабільність функції перетворення тиску у потужність потоку оптичного випромінювання, а також нелінійність і нестабільність функції перетворення потужності модульованого потоку оптичного випромінювання у напругу. Відомий спосіб вимірювання тиску (Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования U 6 p0 U p0 U 5 5 5 U U 7 U U 6 U 5 1 U 1 2 p0 U 5 p0 x p0U 5 U , . 1 U 2 1 6 U 7 1 амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. - С. 188-193), який оснований на формуванні направленого потоку оптичного випромінювання 0 у заданому діапазоні довжин хвиль, модуляції його потужності невідомим за значенням тиском рх, перетворенні потужності модульованого потоку оптичного випромінювання м у напругу U , її вимірюванні і запам'ятовуванні з подальшим визначенням дійсного значення тиску рх за рівнянням вимірювання. Причинами, що заважають досягненню поставленої задачі підвищення точності вимірювання при використанні даного способу є нелінійність та нестабільність функції перетворення тиску в потужність потоку оптичного випромінювання, нелінійність та нестабільність функції перетворення потужності модульованого потоку оптичного випромінювання у напругу. Це обумовлює появу похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки. В основу винаходу покладена технічна задача створення такого способу надлишкових вимірювань тиску, у якому шляхом введення заданої кількості, послідовності, умов виконання операцій таобробки результатів проміжних вимірювань по заздалегідь заданому рівнянню надлишкових вимірювань, забезпечувалося б підвищення точності вимірювання тиску при нелінійній та нестабільній функції механіко-оптико-електронного перетворення тиску в напругу. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що спосіб надлишкових вимірювань тиску, оснований на формуванні направленого потоку оптичного випромінювання 0 у заданому діапазоні довжин хвиль, модуляції його потужності невідомим за значенням тиском рх, перетворенні потужності модульованого потоку оптичного випромінювання м у напругу U , її вимірюванні і запам'ятовуванні з подальшим визначенням дійсного значення тиску рх за рівнянням вимірювання від відомих способів відрізняється тим, що спочатку потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском p1, значення якого дорівнює значенню атмосферного тиску рн({p1}={рн}), перетворюють потужність першого модульованого потоку оптичного випромінювання м1 у напругу U 1, вимірюють її і запам'ятовують, потім потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р2, значення якого встановлюють за умовою {р2}=0,5{рх}+{рн}, перетворюють потужність другого модульованого потоку оптичного випромінювання м2 у напругу 5 90045 6 вання, встановлюють близьким до значення тиску рх, перетворюють потужність п'ятого модульованого потоку оптичного випромінювання м5 у напругу U 5, вимірюють її і запам'ятовують, далі потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р6, значення якого встановлюють за умовою {р6}=0,5({р0х}-{ р0})+{рн}, перетворюють потужність шостого модульованого потоку оптичного випромінювання м6 у напругу U 6, вимірюють її і запам'ятовують, після цього потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р7, значення якого встановлюють за умовою {p7}=0,5({р0х}+{ р0})+{рн}, перетворюють потужність сьомого модульованого потоку оптичного випромінювання м7 у напругу U 7, вимірюють її і запам'ятовують, а дійсне значення невідомого тиску рх визначають згідно з рівнянням надлишкових вимірювань U 2, вимірюють її і запам'ятовують, далі потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р3, значення якого встановлюють за умовою {р3}=0,5({рх}-{ р0})+{рн}, де { р0} - значення нормованого приросту тиску, перетворюють потужність третього модульованого потоку оптичного випромінювання м3 у напругу U 3, вимірюють її і запам'ятовують, після цього потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р4, значення якого встановлюють за умовою {р4}=0,5({рх}+{ р0})+{рн}, перетворюють потужність четвертого модульованого потоку оптичного випромінювання м4 у напругу U 4, вимірюють її і запам'ятовують, потім потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р5, значення якого встановлюють за умовою {р5}=0,5{р0х}+{рн}, де {p0x} - значення нормованого тиску, яке виходячи із результату другого вимірю Sл2 p 0 px S л1 p0 e S л 2 p0 k1 k 2e S л2 p0 U U 3 k2 k 2e 2 1 Sл2 p 0 S л1 e U 3 U 1 U 1 k2 U U 4 1 2 k2 , k1 де S л1 S л2 k2 2 p0 x U 5 2 p0 x p0 x U 6 k2 p ln 0 x p0 p0 x U U 1 U 5 p0 p0 x U p0 p0 U U 5 U 5 6 7 U U 1U 5 U 5 7 5 k1=1, k2=2. На Фіг.1 наведена структурною схемою пристрою, що пояснює сутність запропонованого способу надлишкових вимірювань тиску, де 1 - електромагнітний клапан тиску з ручним керуванням (РК); 2 - джерело нормованого тиску з ручним керуванням; 3 - напівсуматор тисків; 4 - волоконнооптичний сенсор тиску; 5 - волоконно-оптичний кабель; 6, 7 - волоконні світловоди; 8 - джерело оптичного випромінювання; 9 - приймач оптичного випромінювання; 10 - вольтметр з цифровим відліковим пристроєм. На Фіг.2 наведена конструкція рефлексометричного сенсору тиску 4, що використовується у 1 1 запропонованому технічному рішенні пристрою ( Конструкція сенсора тиску та спосіб розташування підвідних і відвідних волоконних світловодів у торці волоконно-оптичного джгута запозичені з наступної монографії: Бадеева Ε.Α., Гориш А.В., Котов Α.Η., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконнооптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - Μ.: МГУЛ, 2004. С. 136-138, 180-183). Пружній чутливий елемент сенсора виконаний у вигляді пласкої круглої мембрани 12, що жорстко закріплюється по контуру у штуцері 11. Напроти відбиваючої поверхні мембрани 12 на нормованій за значенням відстані (за U U 6 2 k 2 p0U p0 U p0 U 5 5 5 U U 7 U 6 U 5 1 U 2 p0 U 5 p0 x p0U 5 2 U , 1 U 1 6 U 7 1 дається товщиною кільцевої прокладки 13) у наконечнику 15 закріплений торець волоконнооптичного джгута 16, утвореного з підвідних 20 і відвідних 21 волоконних світловодів. Схематичне розташування останніх наведено на Фіг.3. Волоконні світловоди 20 і 21 об'єднані у волоконнооптичний кабель 18, який окінцьований рознімним світловодним з'єднувачем типу розетка 19. Для виключення випадання роси або конденсату на відбиваючій поверхні мембрани 12 порожнину корпуса 14 заповнюють інертним газом аргоном. Тиск аргону у цій порожнині встановлюють рівним атмосферному тиску рн. Суть запропонованого способу надлишкових вимірювань тиску розглянемо на прикладі роботи пристрою, структурна схема якого наведена на Фіг.1. Оскільки одним з основних елементів пристрою є сенсор тиску, то спочатку розглянемо принцип дії даного сенсора. Він полягає у наступному. Потік оптичного випромінювання, що випускається з торців підвідних волоконних світловодів 20, поступає на відбиваючу поверхню мембрани 12, відбивається від неї та формує в площині торців відвідних волоконних світловодів 21 опромінену зону заданої форми та геометричних розмірів. 7 90045 Прогин мембрани 12 під дією вимірюваного тиску призводить до зміни геометричних розмірів опроміненої зони та зміни її просторового положення відносно торців відвідних волоконних світловодів 21. Одночасно спостерігається зміна опроміненості цієї зони. Зазначені процеси зумовлюють зміну потужності потоку оптичного випромінювання на виходах відвідних волоконних світловодів 21. Перетворення потужності модульованого потоку оптичного випромінювання у напругу здійснюється за допомогою приймача оптичного випромінювання 9, у якості чутливого елементу якого використовується напівпровідниковий фотодіод. Залежність напруги U на виході приймача оптичного випромінювання 9 від тиску рх, поданого на вхід волоконно-оптичного сенсора 4, може бути апроксимована (з достатньою для практики точністю) функцією виду U =Sн(px-pн)exp[Sл2(px-pн)]+Sл1(px-pн)+Uзм, де рн - тиск у внутрішній порожнині сенсора 4 (його значення встановлюють рівним значенню атмосферного тиску); SH - крутизна перетворення нелінійної складової функції перетворення; Sл1, Sл2 - крутизна перетворення лінійних складових функції перетворення; Uзм - зміщення функції перетворення. Згідно із запропонованим способом, спочатку за допомогою джерела 8 формують направлений потік оптичного випромінювання 0 у заданому діапазоні довжин хвиль. Останній проходить через волоконні світловоди 6, волоконно-оптичні кабелі 5 і 18 та випромінюється з торців підвідних волоконних світловодів 20 у напрямі мембрани 12. Потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р1, значення якого дорівнює значенню атмосферного тиску рн ({р1}={рн}). Для цього клапан тиску 1 встановлюють у положення «Зачинено» і за допомогою джерела нормованого тиску 2 формують тиск pд1 ({рд1)={рн}). Останній подають на другий вхід напівсуматора тисків 3. Оскільки на перший вхід напівсуматора 3 невідомий тиск рх не поступає (клапан 3 закритий), то по закінченню перехідних процесів тиск р1 у камері напівсуматора 3 встановлюється рівним за значенням тиску рд1, тобто {р1)={рн}. Тиск р1 з виходу напівсуматора 3 подають на вхід сенсора 4. У результаті на виході останнього утворюється перший модульований потік оптичного випромінювання м1. Потужність першого модульованого потоку оптичного випромінювання м1 перетворюють у напругу U 1. Для цього модульований потік оптичного випромінювання м1 через волоконно-оптичні кабелі 18 і 5 та волоконні світловоди 7 подають на вхід приймача оптичного випромінювання 4. У результаті на його виході утворюється напруга U 1=Uзм 8 Потім потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р2, значення якого встановлюють за умовою {р2}=0,5{рх}+{рн}. Для цього клапан тиску 1 встановлюють у положення «Відчинено» і за допомогою джерела нормованого тиску 2 формують тиск рд2, значення якого дорівнює подвоєному значенню тиску рн ({рд2}=2{рн}). Тиск рх з виходу клапану 1 та тиск рд2 з виходу джерела 2 подають, відповідно, на перший та другий входи напівсуматора тисків 3. По закінченню перехідних процесів тиск р2 у камері напівсуматора 3 встановлюється рівним за значенням середньому арифметичному поданих на його входи тисків, тобто {p2}=0,5{px}+{рн}. Тиск р2 з виходу напівсуматора 3 подають на вхід волоконно-оптичного сенсора тиску 4. У результаті на виході останнього утворюється другий модульований потік оптичного випромінювання м2. Потужність другого модульованого потоку оптичного випромінювання м2 перетворюють у напругу U 2. Для цього модульований потік оптичного випромінювання м2 через волоконно-оптичні кабелі 18 і 5 та волоконні світловоди 7 подають на вхід приймача оптичного випромінювання 4. У результаті на його виході утворюється напруга U 2=Sн(рх/k2)ехр[Sл2(рх/k2)]+Sл1(рх/k2)+Uзм Напругу U 2 (2) подають на вхід вольтметра 10, вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Далі потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р3, значення якого встановлюють за умовою {р3}=0,5({рх}-{ р0})+{рн}, де { р0} - значення нормованого приросту тиску. Для цього клапан тиску 1 залишають у положенні «Відчинено» і за допомогою джерела нормованого тиску 2 формують тиск рд3, значення якого дорівнює різниці подвоєного значення тиску рн і значення нормованого приросту тиску р0, тобто {рд3}=2{рн}-{ р0}. Тиск рх з виходів клапану 1 та тиск рд3 з виходу джерела 2 подають, відповідно, на перший та другий входи напівсуматора тисків 3. По закінченню перехідних процесів тиск р3 у камері напівсуматора 3 встановлюється рівним за значенням середньому арифметичному поданих на його входи тисків, тобто {p3}=0,5({px}-{ р0})+{рн}. Тиск р3 з виходу напівсуматора 3 подають на вхід волоконно-оптичного сенсора тиску 4. У результаті на виході останнього утворюється третій модульований потік оптичного випромінювання м3. Потужність третього модульованого потоку оптичного випромінювання м3 за допомогою приймача 9 перетворюють у напругу U 3 (1) Напругу U 1 (1) подають на вхід вольтметра 10, вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. (2) Sл1 Sн px p0 k2 px p0 k2 exp Sл2 Uзм. px p0 k2 (3) 9 90045 Напругу U 3 (2) подають на вхід вольтметра 10, вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Після цього потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р4, значення якого встановлюють за умовою {р4}=0,5({рх}+{ р0})+{рн}. Для цього клапан тиску 1 залишають у положенні «Відчинено» і за допомогою джерела нормованого тиску 2 формують тиск рд4, значення якого дорівнює сумі подвоєного значення тиску рн і значення нормованого приросту тиску р0, тобто {рд4}=2{рн}+{ р0}. Тиск рх з виходу клапану 1 та тиск рд4 з виходу джерела 2 подають, відповідно, на перший та другий входи напівсуматора тисків 3. По закінченню перехідних процесів тиск р4 у камері напівсуматора 3 встановлюється рівним за значенням середньому арифметичному поданих на його входи тисків, тобто {р4}=0,5({рх}+{ р0})+{рн}. Тиск р4 з виходу напівсуматора 3 подають на вхід волоконно-оптичного сенсора тиску 4. У результаті на виході останнього утворюється четвертий модульований потік оптичного випромінювання м4. Його потужність за допомогою приймача 9 перетворюють у напругу U 4 Sл1 Sн px p0 k2 px p0 k2 exp Sл2 px p0 k2 (4) Uзм Напругу U 4 (4) подають на вхід вольтметра 10, вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Потім потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р5, значення якого встановлюють за умовою {р5}=0,5{р0х}+{рн}, де {р0х) - значення нормованого тиску. Для цього клапан тиску 1 встановлюють у положення «Зачинено». Виходячи з результату другого вимірювання визначають приблизне значення {р0х} тиску рх. За допомогою джерела 2 формують тиск рд5, значення якого встановлюють за умовою {рд5}=0,5{р0х}+{рн}. Тиск рд5 подають на другий вхід напівсуматора 3. Оскільки на перший вхід напівсуматора 3 невідомий тиск рх не поступає (клапан 3 закритий), то по закінченню перехідних процесів тиск р5 у камері напівсуматора 3 встановлюється рівним за значенням тиску рд5, тобто {р5}=0,5{p0x}+{рн}. Тиск р5 подають на вхід волоконно-оптичного сенсора тиску 4. У результаті на виході останнього утворюється п'ятий модульований потік оптичного випромінювання м5. Його потужність за допомогою приймача 9 перетворюють у напругу U 5=Sн(р0х/k2)ехр[Sл2(р0х/k2)]+Sл1(р0х/k2)+Uзм (5) Напругу U 5 (5) подають на вхід вольтметра 10, вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. 10 Далі потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском р6, значення якого встановлюють за умовою {р6}=0,5({р0x}-{ р0})+{рн}. Для цього клапан тиску 1 залишають у положенні «Зачинено» і за допомогою джерела 2 формують тиск рд6, значення якого встановлюють за умовою {рд6}=0,5({р0х}-{ р0})+{рн}. Тиск рд6 подають на другий вхід напівсуматора 3. Оскільки на перший вхід напівсуматора 3 невідомий тиск рх не поступає, то по закінченню перехідних процесів тиск р6 у камері напівсуматора 3 встановлюється рівним за значенням тиску рд6, тобто {p6}=0,5({p0x}-{ р0})+{рн}. Тиск р6 з виходу напівсуматора 3 подають на вхід волоконно-оптичного сенсора тиску 4. У результаті на виході останнього утворюється шостий модульований потік оптичного випромінювання м6. Його потужність за допомогою приймача 9 перетворюють у напругу U 6 Sл1 Sн px p0 k2 px p0 k2 exp Sл2 px p0 k2 (6) Uзм Напругу U 6 (6) подають на вхід вольтметра 10, вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Після цього потужність потоку оптичного випромінювання 0 модулюють тиском p7, значення якого встановлюють за умовою {р7}=0,5({р0х}+{ р0})+{рн}. Для цього клапан тиску 1 залишають у положенні «Зачинено» і за допомогою джерела 2 формують тиск рд7, значення якого встановлюють за умовою {рд7}=0,5({p0x}+{ р0})+{рн). Тиск рд7 подають на другий вхід напівсуматора 3. Оскільки на перший вхід напівсуматора 3 невідомий тиск рх не поступає, то по закінченню перехідних процесів тиск p7 у камері напівсуматора 3 встановлюється рівним за значенням тиску рд7, тобто {p7}=0,5({р0х}+{ р0})+{рн}. Тиск p7 з виходу напівсуматора 3 подають на вхід волоконно-оптичного сенсора тиску 4. У результаті на виході останнього утворюється сьомий модульований потік оптичного випромінювання м7. Його потужність за допомогою приймача 9 перетворюють у напругу U 7 Sл1 Sн px p0 k2 px p0 k2 exp Sл2 px p0 k2 (7) Uзм Напругу U 7 (7) подають на вхід вольтметра 10, вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Дійсне значення тиску рх визначають згідно з рівнянням надлишкових вимірювань 11 S л 2 p0 Sл1 p0 e px 90045 S л 2 p0 k1 k 2e U 3 Sл1 e U k 2e 2 1 12 S л 2 p0 k2 U U 3 1 k2 U U 4 1 2 S л 2 p0 k2 , (8) k1 де Sл1 Sл2 k2 2 p0 x U 5 2 p0 x p0 x U 6 k2 p ln 0 x p0 p0 x U U 1 U 5 U 5 U U 7 p0 p0 x U p0 p0 U 1U 5 5 6 6 7 5 5 p0 U p0 U Аналіз рівняння надлишкових вимірювань (8) показав, що обробка результатів проміжних вимірювань (1)-(7) зазначеним чином забезпечує виключення впливу на результат вимірювання тиску абсолютних значень параметрів функції механікооптико-електронного перетворення тиску в напругу, а також їх змін під дією дестабілізуючих факторів. Крім того при цьому забезпечується лінійна залежність результату вимірювання від вимірюваного тиску. Як видно з рівнянь надлишкових вимірювань (9) і (10), параметри Sл1 і Sл2 функції перетворення Комп’ютерна верстка Е. Гапоненко U 2 k 2 p0U 5 U U U 7 U U 5 5 U 6 5 U U U 1 2 p0 U 5 p0 x p0U 5 1 1 2 U U 1 6 U (9) 7 , (10) 1 визначаються шляхом обробки результатів проміжних вимірювань (1) і (5)-(7). Отже, спосіб надлишкових вимірювань тиску забезпечує виключення похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки. Позитивний ефект отриманий завдяки введенню нової сукупності та послідовності операцій вимірювання різних за значеннями тисків і використання нового рівняння надлишкових вимірювань. Таким чином, запропонований спосіб надлишкових вимірювань тиску забезпечує вирішення поставленої технічної задачі. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601