CC BY
77
Мухамадиев А.А. Mukhamadiev A.A.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
Фаррахов Р.Г. Farrakhov R.G.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 621.38:669
АЛГОРИТМ РАБОТЫ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Описан принцип действия акустооптического измерительного преобразователя температуры. Приведена конструкция и алгоритм работы акустооптического измерительного преобразователя температуры. Разработано программное обеспечение по расчету и выбору эффективной длины волны пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра.
Ключевые слова: измерение температуры, акустооптический измерительный преобразователь температуры, акустооптический перестраиваемый фильтр, алгоритм, эффективная длина волны.
ALGORITHM OF OPERATION OF THE ACOUSTO-OPTIC MEASURING
CONVERTER OF TEMPERATURE
The principle of action of the acousto-optic measuring converter of temperature is described. The construction and algorithm of operation of the acousto-optic measuring converter of temperature is resulted. The software by calculation and a choice of effective wavelength of passage of the acousto-optic tunable filter is developed.
Key words: temperature measurement, the acousto-optic measuring converter of temperature, the acousto-optic tunable filter, algorithm, effective wavelength.
В настоящее время происходит постоянное ускорение темпов роста использования высокотемпературных технологических процессов в различных отраслях промышленности. В связи с этим растет необходимость обеспечения соответствующего качества автоматизации и контроля подобных процессов. При этом контролируемой физической величиной является температура, представляющая собой один из основных параметров, обеспечивающих качество всего процесса.
На сегодняшний день существующие способы и средства измерения, основанные на них, не позволяют измерять температуру с высокой точностью. Невысокая точность обусловлена тем, что коэффи-
циент излучения объектов либо неизвестен, либо изменяется по неизвестному закону в сверхмалый промежуток времени, а также невозможностью сканирования спектра излучения с целью выбора окон прозрачности атмосферы. Работа направлена на решение данной проблемы, то есть на разработку акустооптического измерительного преобразователя температуры с соответствующим программным обеспечением [1, 5, 12].
Совершенствование структуры и элементной базы оптических преобразователей температуры, базирующееся на традиционных физических эффектах, не дает значимых результатов. Поэтому необходимо применение элементов на новых фи-
зических эффектах, а именно применение акусто-оптического перестраиваемого фильтра в качестве ключевого элемента оптики для обеспечения сепарации теплового излучения.
Акустооптические перестраиваемые фильтры позволяют исследовать спектральный состав электромагнитного излучения по длинам волн в оптическом диапазоне, найти спектральные характеристики излучателей и объектов, взаимодействующих с излучением. Их перестройка осуществляется путем «свипирования» несущей частоты акустической волны. Основное предназначение - выделение из широкого спектра составляющей с узким спектральным диапазоном и перестройка центральной волны этого диапазона в соответствии с управляющим сигналом [10].
Акустооптический измерительный преобразователь температуры работает следующим образом (рис. 1, 2). Электромагнитная волна в виде светового потока, излучаемая объектом, температуру которого необходимо измерить, проходит через стеклянное окно, прозрачное в инфракрасном диапазоне 2, и фо -кусируется линзой 3 оптического блока 1 на входной торец волоконного световода 4. С выходного торца световой поток попадает на акустооптический перестраиваемый фильтр (АОПФ) 5, и в результате его
дифракции на акустических волнах пропускается лишь монохроматический поток с эффективной длиной волны Хф Перестройка акустооптическо-го перестраиваемого фильтра осуществляется по управляющему сигналу от микроконтроллера 10. Пропущенное акустооптическим перестраиваемым фильтром монохроматическое оптическое излучение с эффективной длиной волны Хэф попадает на линейку фотодиодов 7. В зависимости от температуры акустооптический перестраиваемый фильтр пропускает определенную эффективную длину волны излучения, которая попадает на соответствующий фотодиод с максимумом чувствительности в области пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра. Электрический сигнал с выхода фотоприемника усиливается усилителем 8 до уровня, необходимого для корректной работы аналого-цифрового преобразователя 9, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Цифровой сигнал поступает на вход микроконтроллера 10, который осуществляет управление всеми компонентами измерительного блока акустооптическим перестраиваемым фильтром и отображает данные измерения на жидкокристаллическом индикаторе 11, а также поддерживает связь устройства через интерфейс 12 с персональным компьютером [2, 8, 9].
Рис. 1. Структурная схема акустооптического измерительного преобразователя температуры
Рис. 2. Структурная схема измерительного блока
Акустооптический измерительный преобразователь для контроля температуры объектов может работать в нескольких режимах. Оптическое излу-
чение от объекта контроля, введенное в волоконный световод, отфильтровывается в АОПФ и попадает на фотоприемник. Если пирометр работает
в монохроматическом режиме, то АОПФ пропускает лишь длину волны А1 ± ДА. Настройка на длину волны А1 ± ДА осуществляется посредством подачи сигнала на высокочастотный генератор (ВЧГ) требуемой частоты от микроконтроллера измерительного блока. Если пирометр работает в режиме пирометра спектрального отношения, АОПФ поочередно пропускает длины волн А1 ± ДА и А2 ± ДА (ДА - ширина пропускания АОПФ), которые преобразуются фотоприемником в пропорциональные им электрические сигналы и обрабатываются в измерительном блоке [4].
Акустооптический измерительный преобразователь температуры разработан на базе современного RISC-микроконтроллера AT90S4433. Цифровая база полностью решает коммуникационные
проблемы, а также дает возможность контролировать параметры прибора и управлять полосой пропускания АОПФ функциональными модулями устройства для оптимальной его работы.
После фильтрации сигнала осуществляется его преобразование, необходимое для получения выходного сигнала, соответствующего его номинальной статической характеристике в зависимости от режима работы.
Микроконтроллер поддерживает протоколы обмена: интерфейс RS-232C с персональным компьютером; интерфейс RS-485 с хост-контроллером информационной сети.
Для обеспечения функционирования акустооп-тического измерительного преобразователя температуры разработан алгоритм его работы (рис. 3) [7].
Рис. 3. Алгоритм работы акустооптического измерительного преобразователя температуры
На основе данного алгоритма реализовано программное обеспечение, написанное на языке программирования С++.
Формы экранов разработанной программы представлены на рисунке 4.
^ Сог^гоКег ЙКД
введите диапозон длин волн (нм): от до
введите монохроматический коэффициент излучения объекта:
запуск I I обновить | | выход
a Controller
введите диапозон длин волн (нм): от юо до 800
введите монохроматический коэффициент излучения объекта: 0,8
элементы устройства инициализированы начальный режим работы установлен сканирование системы команда сканирования № поступила изменение режима работы режим работы изменен режим работы установлен сканирование светового потока
максимальная мощность теплового излучения: 2,691018^34 Вт АОПФ настроен на длину волны: 106 нм
запуск | | обновить |
Рис. 4. Формы экранов разработанной программы
Программа обеспечивает выполнение следующих функций:
- сканирование системы и инициализация устройств;
- выбор режима работы;
- сканирование светового потока и определение его мощности;
- нахождение длины волны и определение мощности излучения;
- настройка акустооптического перестраиваемого фильтра на определенную длину волны;
- определение температуры объектов [11].
Проведенные исследования характеристик и
математическое моделирование [3, 6] акустоопти-ческого измерительного преобразователя температуры показали функциональность разработанного программного обеспечения.
Разработанная конструкция акустооптическо-го измерительного преобразователя температуры с соответствующим программным обеспечением позволяет измерять с высокой точностью температуру объектов с неизвестным коэффициентом излучения, причем имеется возможность варьировать полосы пропускания АОПФ с целью выбора окон прозрачности атмосферы. АОПФ позволяет не только существенно упростить и повысить надежность оптической части пирометра (вследствие исключения второго канала и решения взаимной юстировки каналов), но и увеличить точность измерений за счет одномоментной температурной стабилизации одного фотоприемника излучения, отсутствие каких-либо движущихся частей, микродвигателей, колеблющихся шторок в оптической части пирометра.
Список литературы
1. Мухамадиев А.А. Акустооптические приборы информационно-измерительных систем экологического мониторинга [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов, М.А. Ураксеев. - Уфа: Уфимск. гос. акад. эконом. и сервиса, 2009. - 119 с.
2. Мухамадиев А.А. Акустооптический преобразователь температуры [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2011. - № 1. - С. 26-28.
3. Мухамадиев А.А. Математическая модель акустооптического пирометра [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2012.
- № 2. - С. 28-31.
4. Мухамадиев А.А. Оптический преобразователь температуры для систем контроля и управления [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2010. - № 10. - С. 39-42.
5. Мухамадиев А.А. Принципы построения оптических преобразователей температуры [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2009.
- № 12. - С. 21-26.
6. Мухамадиев А.А. Статическая характеристика, чувствительность и разрешающая способность акустооптического пирометра [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2011.
- № 11. - С. 31-44.
7. Мухамадиев А.А. Универсальный пирометр для измерения высоких температур [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2010. - № 11. - С. 23-25.
8. Патент РФ № 2399892 МПК7 G01K1/02, G02F1/33 Оптический преобразователь температуры [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов; заявитель
и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т» (RU). - № 2009122755/28; заявл. 15.06.2009; опубл. 20.09.2010.
9. Патент РФ № 288801 МПК7 G01J5/10. Устройство дистанционного измерения температуры [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т» (RU). - № 2009126218/22; заявл. 08.07.2009; опубл. 20.11.2009, Бюл. № 32.
10. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ 2005611855. Расчет оптимальных конструктивных и рабочих параметров акустооптических устройств [Текст] / А.А. Муха-мадиев, М.А. Ураксеев; заявители и правообладатели Мухамадиев А.А. (RU), Ураксеев М.А. (RU). -
№ 2005611216; заявл. 30.05.2005; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.07.2005.
11. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ 2010614548. Расчет и выбор эффективной длины волны пропускания акусто-оптического перестраиваемого фильтра [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов; заявители и правообладатели Р.Г. Фаррахов (RU), А.А. Мухамадиев (RU). - № 2010612875; заявл. 24.05.2010; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 09.07.2010.
12. Фаррахов Р.Г. Оптико-электронные преобразователи температуры для систем контроля технологическими процессами [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов, М.А. Ураксеев. - Уфа: Уфимск. гос. акад. эконом. и сервиса, 2010. - 107 с.
Павлов C.ß. Pavlov S.V.
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Геоинформационные системы» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
Ефремова О.А. Efremova O.A.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Геоинформационные системы» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
Павлов А.С. Pavlov A.S.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Геоинформационные системы» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 004:528
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЛАСТИ РЕГИОНА
ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ДАННЫМИ
В статье рассмотрены варианты организации информационно-вычислительной системы для обеспечения органов исполнительной власти региона пространственными данными в зависимости от способов их хранения в различных органах исполнительной власти.
Ключевые слова: информационно-вычислительная система, пространственные данные, информационное обеспечение органов исполнительной власти, технология организации хранения пространственных данных.
