Шеховцов Дмитро Олександрович

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Введение
• 1.Актуальність теми
• 2.Ціль і завдання дослідження, планові результати
• 3.Розробка та дослідження оптоелектронного вузла
• 3.1.Вимірювання часових інтервалів
• 3.2.Моделювання електронного лазерного далекоміра
• 4.Огляд структурної схеми пристрою
• 5.Розробка конструкції приладу (системи)
• Висновки
• Список джерел

Вступ

В даній магістерській роботі розробляється лазерний далекомір для польової системи контролю витоків природного газу. Даний прилад дозволяє істотно підвищити точність визначення параметрів витоків природного газу і на базі цих даних вжити необхідних адекватних заходів щодо усунення витоків природного газу. В якості методу вимірювання витоків природного газу обраний безконтактний оптичний метод вимірювання дальності. Результат вимірювань планується встановлювати при багаторазових спостереженнях.

1. Актуальність теми

З настанням 21 століття людство зіткнулося з проблемою обмеженості природних ресурсів згідно з різними прогнозних даних розвідані. Ресурси газу нафти будуть вичерпані в найближчі 30 40 років цей ставить завдання економного витрати наявних природних ресурсів. Розгерметизація трубопроводу веде до невиробничих втрат природного газу зменшення цих втрат пов'язане з контролем трубопроводу своєчасним виявленням витоків газу та їх усуненням. У системі, виявлення витоків газу точність рішення задачі залежить від точного вимірювання відстані між апаратними блоками апаратури виявлення витоків. Прилад вимірювання дальності включений до складу такої апаратури дозволяє істотно підвищити точність визначення параметрів витоків природного газу і на базі цих даних вжити необхідних адекватних заходів щодо усунення витоків. Розробка приладу визначення дальності для системи визначення витоків слід вважати необхідною та актуальною.

2. Ціль і завдання дослідження, планові результати

Ціль — розробка приладу вимірювання дальності для забезпечення підвищення точності вимірювання витоків метану з трубопроводу, шляхом обліку довжини оптичної траси.

Основні завдання дослідження:

1. Проаналізувати існуючі методи і засоби вимірювання дальності; вибрати метод найкращим чином забезпечує поставлену мету з урахуванням особливості вимірювання витоків.
2. Розробити структурну схему приладу реалізує обраний метод, вибрати принципової рішення окремим структурних елементів приладу;
3. Виконати інженерні розрахунки вузлів приладу;
4. Оцінити підвищення точності вимірювання витоків природного газу із застосуванням каналу вимірювання дальності. Оцінити метрологічний характеристики каналу виміру дальності.

Об'єкт дослідження — прилад (вимірювальний канал) вимір дальності в складі комплексу вимірювання витоків природного газу з магістральних трубопроводів.

Предмет дослідження —методи і засоби вимірювання довжини оптичної траси вимірювача витоків природного газу в польових умовах.

В рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:

1. Розробка алгоритмів визначення витоків природного газу з магістрального газопроводу з урахуванням довжини оптичної траси.
2. Розробка структури витоків природного газу містить канал вимірювання дальності оптичної траси і забезпечує підвищення точності вимірювання величини витоків.

3.Розробка і дослідження оптоелектронного вузла

Рисунок 3.1–
Схема ідентифікації оптичних сигналів в каналі вимірювання дальності

Приймаються як для забезпечення вимірювання дальності фазовим методом і обробки оптичного сигналу фотоприймачем оптичний потік модулюється оптичні компоненти бездісперсіонние. При цих припущеннях виконується розрахунок оцінки величини амплітуди вихідного сигналу. Для забезпечення візуалізації оптичного сигналу вимірювальної дальності приймаються довжина хвилі випромінювача 0.65 мкм. Це відповідає променю червоного кольору, добре відомому при виконанні налаштувань. Як джерело випромінювання приймається напівпровідниковий лазер HLDP 650-A.

Режим роботи імпульсний;

            

Середнє значення струму LD – 8,75 мА;

            

Частота модуля – 4000 кГц;

            

Амплітуда струму модуляції – 35 мА;

            

Середнє значення потоку LD – 1.25 мВт;

            

Амплітуда потоку – 5.0 мВт.;

            

Для забезпечення режиму збудження лазера харчування а саме струм накачування формується прецизійним керованим джерелом струму

Рисунок 3.2–Спектральна щільність випромінювання напівпровідникового лазера.

Для корекції параметрів оптичного сигналу використовується двохлінзовий телескопічний об'єктив

Рисунок 3.3–Колімуючих двохлінзовий об'єктив.

Розрахунок просторових параметрів оптичного сигналу виконується джерелом. Використовується оптична система (об'єктив-насадка) для корекції кута розходження напівпровідникового лазера. [1]

3.1.Вимірювання часових інтервалів

Вимірювання фазових запізнювань виконується методом подвійного інтегрування

Рисунок 3.1.1– Вимірювання часових інтервалів

Встановлюється вихідна напруга інтегратора:

Рисунок 3.1.2–
Реалізація прямого ходу інтегратора в режимі накопичення імпульсів [2]

Визначається час прямого ходу фази вимірювання інтегратора:

Рисунок 3.1.3–
Зміна напруги на інтеграторі в режимах накопичення і розряду

Процес розряду має різну тривалість. Починається з напруження, накопичених на інтеграторі, за кінцеве число вхідних імпульсів, тривалість яких несе інформацію про дальність. Величина напнакопленногоряженія функціонально визначається величиною дальності. Розряд виконується з однієї і тієї ж постійної часу і закінчується переходом через 0. При цьому тривалість процесу розряду функціонально залежить від дальності. З ростом дальності час розряду зростає. По суті забезпечується перетворення дальності в часовий інтервал - тривалість процесу розряду. Для перетворення тимчасового інтервалу в код часовий інтервал заповнюється числом рахункових імпульсів. Підрахунок числа імпульсів забезпечується двійковим лічильником.

3.2 Моделювання електронного лазерного далекоміра

Схема інтегратора з аналоговими ключами, включеними в відповідних фазах:

АКінт – інтегруванні, Акрі – розряді інтегратора, АКпі – підготовка інтегрування. [3]

Рисунок 3.2.1 Схема перетворення інтервалів часу в код дальності

Роздільна здатність вимірювача – 1.5 см;

                     

Тактова частота рахункових імпульсів – 19.2 МГц;

                     

Число двійкових розрядів лічильника – 15;

[4]

4.Огляд структурної схеми лазерного далекоміра для статевої системи контролю

витоків природного газу

Як джерело випромінювання слід вибирати напівпровідниковий лазер з довжиною хвилі λ= 0,645 мкм, що відповідає червоному кольору, тобто промінь видимий, що забезпечує візуальний контроль. Як приймач використовуються кремнієві фотодіоди. Для забезпечення ефективного придушення випадкової складової похибки результат повинен бути отриманий шляхом накопичення NΔt, де Δt – це інтервал, еквівалентний різниці фаз.

Функцію накопичення інтервалів Δt реалізують за допомогою інтегратора, що забезпечує перетворення накопиченої суми інтервалів фазового запізнювання в напругу. Завдяки використанню методу подвійного інтегрування накопичене напруга на інтеграторі перетворюється в інтервал часу. Інтервал часу перетворюється в число імпульсів з використанням імпульсної послідовності високої частоти і довічного лічильника. У пристрій слід ввести формувачі імпульсів, за допомогою яких забезпечується поліпшення фронтів імпульсних сигналів. З урахуванням викладеного структурна схема пристрою має вигляд (рис.2);

Джерело випромінювання – це напівпровідниковий лазер, який повинен працювати в імпульсному режимі. Частота повторення при цьому 200 Гц. Управління режимом роботи здійснюється генератором тактовим імпульсом (ГТВ). З генератора тактових імпульсів сигнал подається на схему пристрій управління напівпровідниковим лазером (УУПЛ), далі сигнал подається на схему напівпровідникового лазера (ПЛ). Вихідний сигнал напівпровідникового лазера проходить через напівпрозоре дзеркало (ППЗ) і розділяється на 2 потоку: основний (виводиться в оптичну трасу) і другий потік, величиною 3-5% від вихідного, який подається в ланцюг зворотного зв'язку на пристрій (ФПУ1). За допомогою цієї зворотного зв'язку забезпечується амплітуда імпульсу.

                  

Сигнал, відбитий від рефлектора L (25-250м), надходить в об'єктив. Потім на фотодіод (ФПУ2). Імпульсний вихідний сигнал струму перетворюється в сигнал напруги і надходить на тригер формувач імпульсів (ФМ). Вихідний сигнал з формувача імпульсів надходить на УФІС. На перший вхід УФІС подається сигнал з генератора тактових імпульсів. Прийшовши сигнал з ФМ відстає від опорного (з генератора тактових імпульсів). Схемою збігу формується імпульс, тривалість якого дорівнює часу запізнювання другого сигналу. Цей сигнал надходить на пристрій формування інформаційного сигналу (УФІС), а потім на інтегратор. А також сигнал з схеми збігу надходить на пристрій управління (УУпр), яке підраховує число сигналів. Процес інтегрування імпульсів триває протягом надходження 4096 імпульсів.

                  

Після того як на інтегратор надійдуть 4096 імпульсів (імпульси вважаються лічильником Сч), він переводиться в режим розряду (зворотного ходу). При цьому вхід інтегратора підключається до загальної шині. Пристроєм управління на перший вхід елемента «І» подається сигнал, тривалість якого дорівнює часу розряду інтегратора. На другий вхід надходять короткі імпульси з генератора високої частоти (ГВЧ) .Чісло коротких імпульсів, що пройшли через «І», підраховується двійковим лічильником Ст2. Момент досягнення інтегратором напруги 0 визначається електронним компаратором, на входи якого подаються сигнали:                   

1. з інтегратора на перший вхід;
2. на другий вхід - напруга, рівне 0;

Як тільки різниця напруги змінює знак - на виході компаратора формується перепад напруги від 0 до високого рівня.

                   

По фронту цього сигналу зупиняється підрахунок числа імпульсів двійковим лічильником Ст2. Пристроєм управління на мікроЕОМ видається сигнал «Кінець вимірів» і двійкового коду з лічильника. МікроЕОМ сприймає сигнал «Кінець вимірів» і він надходить в систему переривання мікроЕОМ. Обробка переривань ініціює запуск програми введення даних. Вихідний двійкового коду при цьому вводиться в пам'ять мікроЕОМ.

                   

Програмою обробки змінної «Тривалість оптичного каналу L» присвоюється значення двійкового коду. Цією ж програмою видається вихідний сигнал мікроЕОМ (або «Старт» наступного вимірювання, або «Кінець вимірів»). При «Старт» Ст2 встановлюється в початковий стан за вказівкою керуючого пристрою. З першим сигналом з генератора синусоїдальних сигналів починає формування результатів нових спостережень. [5]

5.Розробка конструкції приладу (системи)

Конструкція приладу представлена у вигляді двох блоків і відбивача (теодоліт) оптичного сигналу. Блок випромінювача складається з напівпровідникового лазера довжиною хвилі 650 мкм модулює пристроєм далекомір. Другий блок представлений у вигляді приймача для отримання оптичного сигналу який бере свій початок з приймального об'єктива, далі сигнал поглинається фотодиодом який перетворює оптичний сигнал в струм.

Висновки

В даній магістерській роботі був розглянув лазерний далекомір для польової системи контролю витоків природного газу. Напрямок подальших досліджень і розробок: цей проект може бути покладено в основу детального проектування каналу вимірювання дальності вимірювача витоків. Введення такого каналу забезпечить вимір величини витоків з точністю 1,6%. Використання такого пристрою досить актуально і економічно обґрунтовано в умовах світової енергетичної кризи.

Список джерел

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.