CC BY
19
В разработанном газомерном устройстве колокол 1 погружается в резервуар с водой 2 не под действием собственного веса, а с помощью электрического привода. Скорость перемещения колокола 1 может быть задана с помощью микропроцессорной системы управления.
Расход газа, фиксируемый газомерной установкой, не зависит от давления под колоколом и определяется скоростью его перемещения и площадью внутреннего сечения колокола 1
G = F■ V , (13)
где G - объемный расход, м3 /час; F - площадь внутреннего сечения, м2; V — скорость перемещения колокола, м/с.
1 - измерительный бак; 2 - вертикальный цилиндрический сосуд; 3-4 - оптоэлектронные преобразователи верхнего и нижнего уровня жидкости; 5 - мостовая измерительная
схема; 6 - нормирующий блок с усилителями; 7 - 8-разрядный АЦП; 8 - управляемый электромагнитный клапан; 9 - испытуемый расходомер-счетчик жидкости; 10 - сливной бак; 11 - циркуляционный насос с электродвигателем; 12 - блок управления исполнительными механизмами; 13 - блок оперативной памяти МК; 14 - пульт-управления оператора; 15 - лицевая панель установки; 16 - сливной трубопровод при аварийных режимах; 17 - датчик давления; 18 - датчик температуры; 19 - переключатели; 20 - универсальный блок питания Рисунок 5 - Функциональная схема экспериментальной
микропроцессорной программируемой поверочной испытательной установки расходомеров-счетчиков жидкостей
Представленная функциональная схема экспериментальной автоматизированной программируемой поверочной испытательной установки расходомеров-счетчиков жидкостей разработана на основе оптоэлектрон-ных преобразователей рефлективного типа.
Список литературы
1 Шипулин Ю. Г., Азимов А. Р. Аналоговые оптоэлектронные
преобразователи на основе полых световодов для систем контроля уровня и расхода // Вестник ТашГТУ. 1999, №1. С.43-46.
2 Azimov R. K., Shipulin YU. G., Maksudov S. A., Mahmudov M. I.,
Zhumaev O. A. Intellectual microprocessor testing gas measusuring instrument stallations.// Siхtn World Conference Intelligent Systems for Industrial Automation. «WCIS-2010»-Tashkent, Uzbekistan, November 25-27, 2010.-PP. 266-269.
3 Алматаев О. Т., Шипулин Ю. Г., Жумаев О. А. Автоматизированная
программируемая поверочно-испытательная установка расходомеров счетчиков жидкостей // Международный научно-технический журнал «Химическая технология контроль и управление». 2010. №3. С.46-49.
УДК 621.89
О.А. Жумаев, У.С. Холматов, О.Т. Алматаев, А.О. Абдужалилов
Ташкентский государственный технический
университет
Республика Узбекистан
ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ И
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ
ПРЕОБРАЗО ВАТЕЛ ЕЙ
ДЛЯ ГАЗОМЕРНЫХ УСТАНОВОК
Аннотация. В работе приведены и проанализированы основные задачи разработки и проектирования оптоэ-лектронных преобразователей для газомерных установок.
Ключевые слова: газомерный, установка, преобразователи, оптоэлектронный, автоматизация, элементы, информация, сигнал, система, фотоприемник.
O.A. Zhumaev, U.S. Holmatov, O.T. Almataev, A.O. Abduzhalilov
Tashkent State Technical University
PROBLEMS OF OPTOELECTRONIC TRANSDUCERS FOR GAS-MEASURING INSTALLATIONS DESIGN AND DEVELOPMENT
Abstract. The study presents and analyzes the principal tasks in optoelectronic transducers for gas-measuring installations design and development.
Keywords: gas-measuring, installation, transducers, optoelectronic, automation, elements, information, signal, system, photodetector.
ВВЕДЕНИЕ
В процессе создания поверочных установок решающую роль играют первичные преобразователи для контроля переменных элементов установки.
В газомерных установках могут быть использованы различные типы первичных преобразователей: электроконтактные, индуктивные, емкостные, акустические, оптоэлектронные, пневматические и другие. Однако многие преобразователи параметров движения механических элементов имеют ряд недостатков, затрудняющих их применение, а именно: обратное воздействие на контролируемый объект, электрический и механический износ, ограниченный срок службы, дребезг контактов и другие. Поэтому в настоящее время наиболее перспективным и актуальным являются бесконтактные методы и преобразователи, среди них наиболее широкое применение получают оптоэлектронные преобразователи.
Оптоэлектронные преобразователи отличаются более высокой точностью, высокой разрежающей способностью, высокой надежностью. Все типы оптоэлектрон-ных преобразователей для контроля перемещения подвижных элементов газомерных установок можно свести к двум основным типам
Передача информации между различными частями системы управление является одним из неотъемлемых и критически важных элементов. Сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень,
поэтому для дальнейшей передачи их необходимо обработать и усилить. Уровни сигнала и импеданс выхода датчика должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием сигнала.
Другой очень важной практической проблемой являются наводки. Любое электронное устройство способствует возникновению электрических возмущений. Если две электрические цепи по тем или иным причинам расположены рядом друг с другом, то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает также изменения тока и напряжения в другой. В частности, соединительные провода и кабели выступают в качестве антенны для шумов и возмущений. Многие проблемы, связанные с электрическими наводками, можно решить с помощью экранирования цепей и заземления. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток или свет) зависит от нескольких факторов, главным из которых является устойчивость к наводкам и шумам.
С одной стороны, уровень выходного сигнала датчика должен быть достаточно высок, с другой - входной импеданс компьютера должен быть значительно больше по сравнению с выходным импедансом системы «датчик - измерительный преобразователь». Для согласование уровней сигналов и величин импедансов между выходом датчика и входом компьютера устанавливаются усилители.
Фильтр согласования импедансов имеет высокий входной импеданс и низкий входной при коэффициенте усиления, равном единице. Последний каскад в схеме -обычно стабилизирующий усилитель с большим коэффициентом усиления. Для согласования импедансов применяются операционные усилители в цепи с обратной связью.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цифровые волоконно-оптические системы связи (ВОСС) предназначены для передачи сигналов, несущих информацию от передающей информационной системы (ИС) к ИС приемника (абонента). Как передающая ИС, так и принимающая информацию ИС работают с цифровыми электрическими сигналами. В то же время сам процесс передачи информационных сигналов осуществляется оптическими импульсами, распространяющимися вдоль ВОЛС. Последовательность электрических сигналов (сообщение), формируемое передающей ИС, преобразовывается оптическим передатчиком в последовательность оптических сигналов, вводимых в оптическое волокно и распространяющихся в нем до приемной части. В приемной части ВОЛС оптические сигналы вновь преобразуются в электрические. Это происходит в приемниках оптического излучения.
Приемники оптического излучения (фотоприемники) в цифровых системах связи представляют собой сложные устройства, осуществляющие преобразование световых сигналов в электрические. Для этого световое излучение преобразуется в электрический ток, усиливается, а затем происходит восстановление переданного сообщения и формирование соответствующего этому сообщению электрического сигнала. Большинство действующих оптических систем передачи информации используют двоичный (бинарный) код и простейшую амплитудную модуляцию с двумя значениями амплитуды сигнала. Приемники оптического излучения для таких систем и будут рассмотрены здесь, тем более что они имеют наиболее простую структуру. В последнее время в научных лабораториях интенсивно исследуются различные новые формы модуляции. Приемники для таких систем имеют более
сложную структуру, но в их составной частью являются приемники бинарных амплитудно-модулированных сигналов. Цифровой фотоприемник (приемник цифровой ВОСС с амплитудной модуляцией и прямым детектированием) состоит из четырех блоков. В первом блоке происходит последовательное преобразование оптических сигналов в электрический ток (оптоэлектронное преобразование). Во втором блоке осуществляется линейное усиление электрического тока, в третьем - восстановление данных, а в четвертом - создание выходного электрического сигнала. Структура приемника показана на рисунке 1.
Преобразование модулированного светового излучения (светового сигнала) в модулированный электрический ток происходит в фотодиоде. Ток фотодиода усиливается малошумящим трансимпедансным усилителем. Выходящие из него импульсы тока усиливаются линейным усилителем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), фильтруются и попадают в блок восстановления данных, где усиленный электрический импульс делится на три части. Одна часть импульса используется для формирования частоты в блоке синхронизации. Вторая часть электрического импульса служит для формирования постоянного порогового тока, используемого в качестве уровня сравнения с импульсами тока информационного сигнала. Третья часть подается на схему сравнения, где сравнивается с пороговым значением тока для принятия решения о том, какой символ («1» или «0») передан. Сравнивать значение импульса тока с пороговым значением необходимо в точно определенные моменты времени, соответствующие середине тактовых периодов. Интервалы времени, в которые происходит сравнение порогового тока с величиной тока фотодиода, задает генератор тактовой частоты. Для оптимальной работы фотоприемника величина среднего значения усиленного тока должна примерно совпадать с пороговым значением. Выполнение этого условия обеспечивает блок автоматической регулировки усиления. Схема усиления управляет работой формирователя электрических сигналов, который в зависимости от результатов сравнения вырабатывает электрический сигнал, соответствующий логической «1» или «0».
Рисунок 1 - Структурная схема цифрового фотоприемника
Важнейшей рабочей характеристикой действующей системы передачи информации, определяющей качество связи, является коэффициент ошибок. Его значение равно отношению числа ошибочно интерпретированных сим-
волов к общему числу переданных символов. Причина возникновения ошибок - наличие шумов.
Действительно, в реальных системах связи значения фототока, соответствующие и «1», и «0», флуктуируют во времени из-за наличия шумов. Такие временные флуктуации тока могут привести к ошибочной интерпретации информационного символа.
Природу возникновения ошибок в двоичных цифровых системах связи с амплитудной модуляцией поясняет рисунок 2.
Из-за наличия шумов измеренное значение тока отличается от его точного значения. Разброс измеренных значений тока при передаче логических «1» и «0» описывается соответствующими функциями F1(I) и F0(I) плотности распределения вероятностей. На рисунке 2 б графики функций F1(I) и F0(I) показаны соответственно верхней и нижней кривыми. Как видно из рисунка, графики этих функций пересекают прямую, соответствующую уровню тока сравнения 10. Это означает, что существует некоторая, обычно весьма малая, но отличная от нуля вероятность интерпретации принятого сигнала. Вероятность Р(1/0) ошибочной интерпретации «0» как «1» определяется площадью под частью функции распределения F0(I), отсекаемой уровнем тока сравнения Iсг
KBa(Q) =
1
л/ 2П
] dx exp| - Х2- | = 2 erfc[Q
где - Q = 1 A^k
показатель качества принима-
Для нормальной работы цифровой системы связи необходимо, чтобы шум не превышал некоторого заданного значения. При фиксированной скорости передачи информации и пренебрежении шумами самого светового сигнала шумы фотоприемника можно считать постоянными и не зависящими от мощности света. Очевидно, что в этом случае Кош уменьшится при увеличении амплитуды полезного сигнала и увеличится при его уменьшении. Минимальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи данных с заданным коэффициентом ошибок, называется чувствительностью оптического приемника. В цифровых системах голосовой связи максимально допустимое значение коэффициента ошибок обычно принимается равным 10-9. Чувствительность может выражаться в линейных единицах, производных от ватта (нВт, мкВт) или в логарифмических - децибелах по отношению к милливатту (дБм).
Реальная чувствительность приемников определяется многими факторами: нормируемым значением коэффициента ошибок, формой импульса, скоростью передачи информации, шириной полосы приемника и шумами оптического излучения. Поэтому практически в спецификациях чувствительность приемника задается только для вполне определенного передатчика, скорости передачи двоичных сигналов и их формы.
С увеличением скорости передачи информации чувствительность ухудшается (т.е. возрастает) в линейных единицах приблизительно пропорционально скорости В, бит/с. Чувствительность современных цифровых высокоскоростных приемников на основе рт-фотодиодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рисунок 3).
а - электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы сравнения; б - плотность распределения вероятностей измеренных значений тока сигнала для 1 и 0;
I0 - уровень нуля; I1 - уровень единицы; ID - уровень сравнения; tD - длительность такта; область Р( 1/0) - вероятность интерпретации 0 как 1;
Р(0/1) - вероятность интерпретации 1 как 0 Рисунок 2 - Возникновение ошибок в двоичных цифровых системах связи
Аналогично вероятность P(0/1) ошибочной интерпретации «1» как «0» определяется площадью под частью функции распределения F1(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID. При равной вероятности передачи «0» и «1» коэффициент ошибок определяется простым выражением
Кош = (1/2)(Р(1/0) + Р(0/1)). (1)
В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями интенсивности и со среднеквадратическими отклонениями у1 и у1 для «1» и «0» соответственно коэффициент ошибки определяется как
(2)
Рисунок 3 - Зависимость учувствительности типичного цифрового оптического приемника на основе pin-фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приемников
В отсутствие шумов чувствительность фотоприемника определяется квантовыми свойствами светового излучения и называется квантовым пределом чувствительности.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Задача проектирования приборов на основе опто-электронных преобразователей по критерию чувствительности и линейности статической характеристики формулируется следующим образом. Выбирается структура, и, следовательно, определяется статическая характеристика, например, уровнемера, в виде
= U
K
емого сигнала.
(K +1)2
1 -
Ф0 (Х мин )
Фо (Х)
(3)
В общем случае статическую характеристику (1) можно представить в виде
иы = /|.Хвх , а(у)\ Хвх е Хвхмин "Хехмакс , а(У^ Оа , (4)
где а = {а1, а2, а3,..., ап } - вектор варьируемых параметров;
У = {у , У 2 , Уз,..., Ут } - вектор влияющих параметров;
п - число варьируемых параметров; т - число влияющих параметров. В результате оптимального проектирования требуется найти оптимальный вектор параметров а (у )е О а так, чтобы
I \а(у)]= opt I \а(у) хет J Da = / : bi
< а < с , аг > 0, г = 1,п}. (5)
Задача повышения линейности статической характеристики решается путем аппроксимации реальной нелинейной статической характеристики преобразователя линейной зависимостью
= а ■ Хх + В. (6)
Используя квадратичный интегральный критерий близости функций, имеем
Мин I = 'J {/(Ха )- А * Хх - В }}
или
Мин I = {{/[[, a(y)]- А * Ха - В j}
Решив задачу, находят значения
А = А[хех, a(y)], В = В[хех, a(y)
МаксАх„, а(у)] а е Da, Хет е (х&
Х,
I [Х'Х, а(У)] = минЬэ[Хвх, а(у)]
Хвх е {Хохмин, Х6хмакс), a е Da ■
казателем быстродействия и инерции является постоянная времени Т. На основании постоянных времени отдельных элементов можно оценить постоянную времени всего прибора Тпр. Тпр можно также получить на основании аппроксимации кривых переходного процесса, полученных теоретически или экспериментально. Проектирование по критерию быстродействия можно свести к задаче нахождения минимума постоянной времени Т
I [Х'х, а(У )]= MUH Тпр [Х'х, а(У)] Хвх е (Хехмин, Х'ХМаКС), a е Da
(11)
(7)
(8)
, а е Da и па-
раметры {а}, при которых реализуются эти коэффициенты. Задача обеспечения высокой чувствительности легко решается после задачи обеспечения высокой линейности статической характеристики, так как они тесно связаны. Для решения задачи повышенной чувствительности необходимо определить оптимальные значения вектора а(у) = а (у), которые обеспечивают
с). (9)
Точность оптоэлектронных преобразователей определяется наиболее полно на основе энтропийной погрешности АЭ, и задача оптимального параметрического проектирования по критерию точности может быть решена путем нахождения оптимального вектора параметров так, чтобы для
ВЫВОДЫ
Использование в конструкции газомерной поверочной установки [4] современных средств автоматизации позволит изготовить установку на современном уровне, автоматизировать и ускорить процессы поверки, что повысит производительность установки.
Следует в заключение отметить важную роль применения в оптоэлектронных преобразователях новых видов излучателей и фотоприемников, при этом исследовать временную деградацию, радиационную стойкость, термостабильность, инерционность новых видов оптоэлектронных преобразователей информации.
Список литературы
1 Azimov R.K., Shipulin YU.G.,Maksudov S.A.,Mahmudov M.I.,Zhumaev
O.A. Intellectual microprocessor testing gas measusuring instrument stallations// Sixtn World Conference Intelligent Systems for Industrial Automation.« WCIS-2010»-Tashkent,Uzbekistan, November25-27,
2010. PP. 266-269.
2 Жумаев О. А. Вопросы разработки оптоэлектронных
преобразователей рефлективного типа для газомерных устройств // Перспективы развития техники и технологии и достижения горно-металлургической отрасли за годы независимости Республики Узбекистан: сборник МНТК. Навои,
2011. С.335-337.
3 Жумаев О. А. Оптоэлектронные преобразователи рефлективного
типа для контроля перемещением элементов газомерных поверочных установок// Проблемы энерго- и ресурсосбережения, 2011. №2. С.203-209.
4 Шипулин Ю. Г., Жумаев О. А. Микропроцессорная газомерная
установка с оптоэлектронными преобразователями рефлективного типа // Стандарт. Агенство «Узстандарт», 2011. № 2. С.32-33.
УДК 338.23:614.8.01 С.П. Левашов
Курганский государственный университет
МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ И АНАЛИЗА ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ОПАСНОСТЕЙ1
Аннотация. Представлены результаты реализации разработанной методики ретроспективного причинно-следственного анализа травматизма работников на примере базовой профессиональной группы «Водители и машинисты подвижного оборудования». Информация о приоритетных условиях и обстоятельствах возникновения несчастных случаев используется в качестве основы при
(10)
Быстродействие оптоэлектронного преобразователя или прибора на его основе определяется динамическими характеристиками этих приборов, и основным по-
1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Департамента экономического развития, торговли и труда Курганской области в рамках научного проекта 1446-00008 «Теория и методология оценки профессиональных рисков работников промышленного комплекса РФ (на примере Курганской области)».
х
х
