Шеховцов Дмитрий Александрович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1.Актуальность темы
• 2.Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3.Разработка и исследования оптоэлектронного узла
• 3.1.Измерения временных интервалов
• 3.2.Моделирование электронного лазерного дальномера
• 4.Обзор структурной схемы устройства
• 5.Разработка конструкции прибора(системы)
• Выводы
• Список источников

Введение

В данной магистерской работе разрабатывается лазерный дальномер для полевой системы контроля утечек природного газа. Данный прибор позволяет существенно повысить точность определения параметров утечек природного газа и на базе этих данных принять необходимые адекватные меры по устранению утечек природного газа. В качестве метода измерения утечек природного газа выбран бесконтактный оптический метод измерения дальности. Результат измерений планируется устанавливать при многократных наблюдениях.

1. Актуальность темы

С наступлением 21 века человечество столкнулось с проблемой ограниченности природных ресурсов согласно разным прогнозных данных разведанные ресурсы газа нефти будут исчерпаны в ближайшие 30,40 лет этот вопрос ставит задачу экономного расхода имеющихся природных ресурсов. Разгерметизация трубопровода ведёт к непроизводственным потерям природного газа уменьшение этих потерь сопряжено с контролем трубопровода своевременным обнаружением утечек газа и их устранением. В разрабатываемой системе обнаружения утечек газа точность решения задачи зависит от точного измерения расстояния между аппаратными блоками аппаратуры обнаружения утечек. Прибор измерения дальности включенный в состав такой аппаратуры позволяет существенно повысить точность определения параметров утечек природного газа и на базе этих данных принять необходимые адекватные меры по устранению утечек. Разработка прибора определения дальности для системы определения утечек следует считать необходимой и актуальной.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель — разработка прибора измерения дальности для обеспечения повышения точности измерения утечек метана из трубопровода, путём учёта длинны оптической трассы.

Основные задачи исследования:

1. Проанализировать существующие методы и средства измерения дальности; выбрать метод наилучшим образом обеспечивающий поставленную цель с учётом особенности измерения утечек.
2. Разработать структурную схему прибора реализующего выбранный метод, выбрать принципиальной решение отдельным структурных элементов прибора;
3. Выполнить инженерные расчёты узлов прибора;
4. Оценить повышения точности измерения утечек природного газа с применением канала измерения дальности. Оценить метрологический характеристики канала измерения дальности.

Объект исследования — прибор (измерительный канал) измерение дальности в составе комплекса измерения утечек природного газа из магистральных трубопроводов.

Предмет исследования — методы и средства измерения протяжённости оптической трассы измерителя утечек природного газа в полевых условиях.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

1. разработка алгоритмов определение утечек природного газа из магистрального газопровода с учётом длинны оптической трассы.
2. Разработка структуры утечек природного газа содержащего канал измерения дальности оптической трассы и обеспечивающий повышение точности измерения величины утечек.

3.Разработка и исследования оптоэлектронного узла

Рисунок 3.1 –
Схема идентификации оптических сигналов в канале измерения дальности

Принимаются как для обеспечения измерения дальности фазовым методом и обработки оптического сигнала фотоприемником оптический поток модулируется оптические компоненты бездисперсионные. При этих допущениях выполняется расчёт оценки величины амплитуды выходного сигнала. Для обеспечения визуализации оптического сигнала измерительной дальности принимаются длина волны излучателя 0.65 мкм. Это соответствует лучу красного цвета, хорошо видному при выполнении настроек. В качестве источника излучения принимается полупроводниковый лазер HLDP 650-A.

Режим работы импульсный;

Среднее значение тока LD – 8,75 мA;

Частота модуля – 4000 кГц;

Амплитуда тока модуляции – 35 мА;

Среднее значение потока LD – 1.25 мВт;

Амплитуда потока – 5.0 ж мВт.;

Для обеспечения режима возбуждения лазера питания а именно ток накачки формируется прецизионным управляемым источником тока

Рисунок 3.2 –Спектральная плотность излучения полупроводникового лазера.

Для коррекции параметров оптического сигнала используется двухлинзовый телескопический объектив

Рисунок 3.3 – Коллимирующий двухлинзовый объектив.

Расчёт пространственных параметров оптического сигнала выполняется источником. Используется оптическая система (объектив-насадка) для коррекции угла расходимости полупроводникового лазера. [1]

3.1.Измерения временных интервалов

Измерение фазовых запаздываний выполняется методом двойного интегрирования

Рисунок 3.1.1 –Измерения временных интервалов [2]

Устанавливается выходное напряжение интегратора:

Рисунок 3.1.2 –
Реализация прямого хода интегратора в режиме накопления импульсов

Определяется время прямого хода фазы измерения интегратора:

Рисунок 3.1.3 –
Изменение напряжения на интеграторе в режимах накопления и разряда

Процесс разряда имеет разную длительность. Начинается с напряжения, накопленного на интеграторе, за конечное число входных импульсов, длительность которых несет информацию о дальности. Величина накопленного напряжения функционально определяется величиной дальности. Разряд выполняется с одной и той же постоянной времени и заканчивается переходом через 0. При этом длительность процесса разряда функционально зависит от дальности. С ростом дальности время разряда возрастает. По существу обеспечивается преобразование дальности во временной интервал – продолжительность процесса разряда. Для преобразования временного интервала в код временной интервал заполняется числом счетных импульсов. Подсчет числа импульсов обеспечивается двоичным счетчиком. [3]

3.2 Моделирование электронного лазерного дальномера

Схема интегратора с аналоговыми ключами, включенными в соответствующих фазах: АКинт – интегрировании, АКри – разряде интегратора, АКпи – подготовка интегрирования.

Рисунок 3.2.1 Схема преобразования интерваллов времени в код дальности

Разрешающая способность измерителя – 1.5 см;

Тактовая частота счетных импульсов – 19.2 МГц;

Число двоичных разрядов счетчика – 15;

[4]

4.Обзор структурной схемы лазерного дальномера для полевой системы контроля

утечек природного газа

В качестве источника излучения следует выбираеть полупроводниковый лазер с длиной волны λ=0,645 мкм, что соответствует красному цвету, то есть луч видимый, обеспечивающий визуальный контроль. В качестве приемника используются кремниевые фотодиоды. Для обеспечения эффективного подавления случайной составляющей погрешности результат должен быть получен путем накопления NΔt, где Δt – это интервал, эквивалентный разности фаз.

Функцию накопления интервалов Δt реализуют с помощью интегратора, обеспечивающего преобразование накопленной суммы интервалов фазового запаздывания в напряжение. Благодаря использованию метода двойного интегрирования накопленное напряжение на интеграторе преобразуется в интервал времени. Интервал времени преобразуется в число импульсов с использованием импульсной последовательности высокой частоты и двоичного счетчика. В устройство следует ввести формирователи импульсов, с помощью которых обеспечивается улучшение фронтов импульсных сигналов. С учетом изложенного структурная схема устройства имеет вид (рис.2);

Источник излучения – это полупроводниковый лазер, который должен работать в импульсном режиме. Частота повторения при этом 200 Гц. Управление режимом работы осуществляется генератором тактовым импульсом (ГТИ). С генератора тактовых импульсов сигнал подается на схему устройство управление полупроводниковым лазером (УУПЛ), далее сигнал подается на схему полупроводникового лазера(ПЛ). Выходной сигнал полупроводникового лазера проходит через полупрозрачное зеркало (ППЗ) и разделяется на 2 потока: основной (выводится в оптическую трассу) и второй поток, величиной 3-5% от исходного, который подается в цепь обратной связи на устройство (ФПУ1). С помощью этой обратной связи обеспечивается амплитуда импульса.

Сигнал, отраженный от отражателя L (25-250м), поступает в объектив. Затем на фотодиод (ФПУ2). Импульсный выходной сигнал тока преобразуется в сигнал напряжения и поступает на триггер формирователь импульсов (ФИ). Выходной сигнал с формирователя импульсов поступает на УФИС. На первый вход УФИС подается сигнал с генератора тактовых импульсов. Пришедший сигнал с ФИ отстает от опорного (с генератора тактовых импульсов). Схемой совпадения формируется импульс, длительность которого равна времени запаздывания второго сигнала. Этот сигнал поступает на устройство формирования информационного сигнала (УФИС), а затем на интегратор. А также сигнал со схемы совпадения поступает на устройство управления (УУпр), которое подсчитывает число сигналов. Процесс интегрирования импульсов продолжается в течении поступления 4096 импульсов.

После того как на интегратор поступят 4096 импульсов (импульсы считаются счетчиком Сч), он переводится в режим разряда (обратного хода). При этом вход интегратора подключается к общей шине. Устройством управления на первый вход элемента «И» подается сигнал, длительность которого равна времени разряда интегратора. На второй вход поступают короткие импульсы с генератора высокой частоты (ГВЧ).Число коротких импульсов, прошедших через «И», подсчитывается двоичным счетчиком Ст2. Момент достижения интегратором напряжения 0 определяется электронным компаратором, на входы которого подаются сигналы:

1. с интегратора на первый вход ;
2. на второй вход - напряжение, равное 0.

Как только разность напряжений меняет знак – на выходе компаратора формируется перепад напряжения от 0 к высокому уровню.

По фронту этого сигнала останавливается подсчет числа импульсов двоичным счетчиком Ст2. Устройством управления на микроЭВМ выдается сигнал «Конец измерений» и двоичный код со счетчика. МикроЭВМ воспринимает сигнал «Конец измерений» и он поступает в систему прерывания микроЭВМ. Обработка прерываний инициирует запуск программы ввода данных. Выходной двоичный код при этом вводится в память микроЭВМ.

Программой обработки переменной «Длительность оптического канала L» присваивается значение двоичного кода. Этой же программой выдается выходной сигнал микроЭВМ (либо «Старт» следующего измерения, либо «Конец измерений»). При «Старт» Ст2 устанавливается в начальное состояние по указанию управляющего устройства. С первым сигналом с генератора синусоидальных сигналов начинает формирование результатов новых наблюдений. [5]

5.Разработка конструкции прибора(системы)

Конструкция прибора представлена в виде двух блоков и отражателя (теодолит) оптического сигнала. Блок излучателя состоит из полупроводникового лазера длиной волны 650 мкм модулирующегося устройством дальномер. Второй блок представлен в виде приёмника для получение оптического сигнала который берёт своё начало из приёмного объектива, далее сигнал поглощается фотодиодом который преобразует оптический сигнал в ток.

Выводы

В данной магистерской работе был рассмотрел лазерный дальномер для полевой системы контроля утечек природного газа. Направление дальнейших исследований и разработок: этот проект может быть положен в основу детального проектирования канала измерения дальности измерителя истокам. Введение такого канала обеспечит измерение величины утечек с точностью 1,6%. Использование такого устройства весьма актуально и экономически обоснованно в условиях мирового энергетического кризиса.

Список источников

1. Климков Ю.М. Основы расчета опто-электронных приборов с лазерами. – М.: Сов. радио, 1978. – 264 с
2. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого–цифровые преобразователи. – М.: Радио и связь, 1984. – 120 с., ил. - (Массовая б-ка инжеера "Электроника", вып. 41). Измерение фазовых запаздываний выполняется методом двойного интегрирования
3. Туз Ю.М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств. – Киев: Выща школа, 1976. – Метод двойного интегрирования при фазовых измерениях
4. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие по спец. электрон. техники Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов и др. – М.: Высш. шк., 1987. – 335 с.
5. Карасик В.Е.Лазерные информационные приборы. – М.:, Из-во МВТУ им Н.Э. Баумана, 1986. – 68 с. илл
6. Перегуд Е.А., Д.О. Горелик Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы. – Л.: Химия, 1981. – 384 с
7. Заказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика.– М.: Машиностроение, 1984.– 184 Элементы о. систем: линзы, зеркала, диафрагмы, призмы, клинья, пластины…Распространение излучения (170), эффективность зрения, связь единиц, коэф. пропускания о. системы, прохождение потока через фильтр.
8. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения: Учебник для вузов по специальностям “Оптикоэлектронные приборы” и “Технология оптического приборостроения”/ Под общ. ред. Д.Т. Пуряева. – М.: Машиностроение, 1987. – 264
9. Прикладная оптика: Учебник для оптических специальностей вузов. М.И. Апенко, А.С. Дубови Г.В. Дурейко и др.; Под общ. ред. А.С. Дубовина, – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 480
10. Бельский А.М., Корнейчик Т.М., Хапалюк А.П. Пространственная структура лазерного излучения. Под ред. А.П. Хапалюка. – Минск, Изд-во БГУ, 1982. – 198 с
11. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере.– М.: Радио и связь, 1981. – 288 с.
12. Салль А.О. Инфракрасные газоаналитические измерения: Погрешности и информационная способность инфракрасных газоанализаторов.– М., Издательство стандартов, 1971. – 100 с.
13. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. – Л.: Энергия. Ленингр. Отд-ние, 1980.– 164 с.
14. Избирательное поглощение лучистой энергии в газах. Параметры полос поглощения(СО2, СО, N2O, CH4). Теория построения оптико-акустических газоанализаторов. Промышленные ОА газоанализаторы.
15. Уорк К., Уорнер С.Загрязнение воздуха. Источники и контроль. Перевод с англ. Под ред. Е.Н. Теверовского. – М.: Мир, 1980. –540 с.