М Степаняк, М Степаняк - Розвиток кристалооптичного методу вимірювання температури з використанням двох чутливих елементів - страница 1

Страницы:
1  2 

ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ ТЕПЛОВИХ ВЕЛИЧИН

 

УДК 535.5; 535.327; 548.0:535.6

 

РОЗВИТОК КРИСТАЛООПТИЧНОГО МЕТОДУ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ З ВИКОРИСТАННЯМ ДВОХ ЧУТЛИВИХ ЕЛЕМЕНТІВ

© Микола Степаняк1, Михайло СтепанякК',2010

Національний університет "Львівська політехніка", кафедра інформаційно-вимірювальних технологій,

2кафедра комп'ютеризованих систем автоматики, вул. С. Бандери, 12, 79013, Львів, Україна

Виконано дослідження кристалооптичного методу вимірювання температури, що дає змогу знаходити початкову температуру та підвищувати точність вимірювання з використанням різної кількості чутливих

елементів кристалооптичного термоперетворювача.

Осуществлено исследование кристалооптического метода определения начальной температурыи повышения точности измерения с использованием различного количества чувствительних элементов

кристаллооптического термопреобразователя.

The temperature transducer was investigated for its precision increasing due to the primary temperature estimation and

different number of crystal sensors using.Вступ. На фоні стрімкого росту застосування у виробництві автоматизованих систем контролю й управління, нових технологічних процесів і гнучких автоматизованих виробництв потреба розроблення нових чутливих елементів для первинних перетворю­вачів повинна розглядатися як завдання першочергове. Крім високих метрологічних характеристик, первинні перетворювачі повинні характеризуватись високою надійністю, завадостійкістю, довговічністю, стабіль­ністю, якомога меншими габаритами, масою, енерго­споживанням та вартістю, а також бути сумісними з мікроелектронними пристроями опрацювання інфор­мації [1]. Нині інтенсивно досліджуються та роз­робляються мікроелектронні первинні перетворювачі на основі інтегральної оптики. Вони основані на оптичних, електрооптичних та інших ефектах в оптично активних матеріалах та оптичних структурах, наприклад, рідких кристалах, волоконно-оптичних елементах, їх комбінаціях тощо. При цьому широко застосовуються лазери, фоточутливі елементи та пристрої. Оптичне волокно стає предметом широкого використання не тільки як провідник оптичного сигналу в комунікаційних мережах, але також як активне середовище, що само або в комбінації з іншими оптично активними чи електронними мате­ріалами та структурами здійснює реєстрацію фізичних величин [2].

Вимоги вимірювання температури значною мірою задовольняють кристалооптичні та волоконно-оптичні первинні перетворювачі. Дослідження метрологічних характеристик чутливих елементів кристалооптичних термоперетворювачів (ЧЕ КОТП) підтвердили мож­ливості використання їх для дистанційного вимі­рювання температури практично без тепловідведення на об' єктах під високим електричним потенціалом [3].

 

Мета роботи. Створення КОТП для підвищення точності вимірювання температури та збільшення надійності в умовах дії електромагнітних полів під високим електричним потенціалом.

 

Дослідження кристалооптичних термопере­творювачів з різною кількістю чутливих елементів.

Відомо, що при прохоженні світла через систему «поляризатор - кристал - аналізатор», внаслідок температурної залежності двозаломлення кристала його інтенсивність I(t), яка реєструється фотоприй­мачем [4, 5], має періодичну залежність:

3d dt

d_ dt

I

■ dt

+ d

I(t) = Ia sin1 — t = A

0

■ 2 П

sinде k- функція температури;п', n''- показники заломлення; X - довжина хвилі монохроматичного випромінювання;;! - товщина кристала чутливого елемента кристалооптичного термоперетворювача.

Оскільки кожному екстремуму відповідає певне значення температури, то за градуювальною характе­ристикою у координатах «температура - різниця фаз» можна визначити температуру середовища.

(2)

Тоді згідно з (1) вимірювану температуру t можна подати так:

 

t = t> + mtT + At,

де t> - відома початкова температура, коли t> =>і m = 0;m- кількість мінімумів фотоструму, зареєст­рованих при зміні температури ЧЕ від початкової t0 до вимірюваної температури t; At<t T - температура неповного температурного інтервалу t T .

Отже, деякому значенню фотоструму фотоприй­мача відповідає набір температур (m t T + At), де m = 0,+1,+2, t T - інтервал температур, характерний для цього ЧЕ КОТП.

Однак тут існує проблема визначення початкової температури t>> та At, хоч цей метод має високу повторюваність метрологічних характеристик ЧЕ КОТП, що робить його перспективним [3]. Вимірюван­ня At можна виконувати за методикою, описаною в [6].

Для вимірювання температури кристалооптичним методом та вирішення проблеми визначення t0 можна використати первинний КОТП на основі двозаломлю-вальних кристалів (рис.1) [7].

Такий КОТП [7] складається зі схрещених поля­ризатора 7 та аналізатора 9 та решітки двозаломлю-вальних кристалів ЧЕ 1-5 між ними. Послідовність товщин d5, сіц, d3, d2, d1 двозаломлювальних кристалів ЧЕ відповідає відношенню 1:2:4:8:16. Відповідно, кристал ЧЕ 1 з більшою товщиною d1 відтворює найменший двійковий розряд. Вихідний пучок лазер­ного випромінювання через оптичні волокна відпо­відного кристала ЧЕ 1-5 переносить сигнал на фо­топриймачі. В результаті цього можна отримати у чис­ловому вигляді електричний еквівалент температури. Вихідний пучок проходить через пару оптичних волокон для передавання вихідних сигналів, що генеруються кожним кристалом ЧЕ. Кожна пара вихідних оптичних волокон передає половину квадратурної пари сигналів. У цих парах різниця фаз між сигналами становить 90o, тобто X/4. Значення інтенсивності лазерного випромінювання квадратурної пари сигналів з температурою змінюється залежно від температури за формулою (1). За допомогою детектування та декодування отримують електричні сигнали, які застосовують для точного відтворення значення температури в цифровій формі.

Такий КОТП використовують як первинний аналого-цифровий перетворювач температури (АЦПТ) на цифровий сигнал у двійковому коді. Однак у разі використання 5 ЧЕ похибка такого АЦПТ становить 3%, а температурний діапазон вимірювання визначається температурним інтервалом ЧЕ 5. Збільшення точності вимагає збільшення кількості кристалів ЧЕ, що ускладнює конструкцію такого АЦПТ та збільшує його інерційність.
Використовучи формулу (2), можна отримати значення вимірюваної температури t для кожного ЧЕ

КОТП (рис.1)

t = to + m1tT1+ At1 , (3) t = t0 + m2tT2+ At2 , (4) t = t0 + m31T3 + At^ (5) t = t0 + m4tT 4+ At4 , (6) t = t0 + m5tT5 + At5 ,(7) де - At1-5 <tT1-5- температура неповних темпера­турних інтервалів, відповідних -tT 1-5,; m1-5 =0,+1,+2, ... - кількість мінімумів фотоструму^ T1-5 - нтервали температур для кожного ЧЕ залежно від товщини.

Для розширення температурного діапазону, підви­щення точності вимірювання температури та змен­шення інерційності ЧЕ КОТП нами запропоновано КОТП, поданий на рис.2.

У цьому КОТП товщини кристалів ЧЕ 3, ЧЕ 4 відповідно d3, d4 відносяться як d3 : d4 =9,7ітоді температурні інтервали tT4: frn = 9,7.

2

S 3 -110 ski

U ф 3 - 1 =

Для забезпечення вимірювання температури поля­ризатор 2 та аналізатор 6 перебувають у схрещеному положенні, кристали ЧЕ 3, ЧЕ 4 в діагональному. Пари променів, ординарний та екстраординарний, що генеруються ЧЕ 3 та ЧЕ 4, отримують зсув фаз, що залежить від температури. Частина випромінювання з кожного каналу проходить через чвертьхвильову пластинку 5 та одержує додатковий зсув фаз - п/2 і потрапляє через оптоволокно на фотоприймачі 7 та блок опрацювання результатів 8. На виході фотоприймачів отримуємо електричні сигнали Цф3-1, иф3-2, иф4-1ф4-2, що визначаються квадратом амплітуди відповідних оптичних сигналів на вході та їх чутливістю  S3-1,  S3-2, S4-1,  S4-2, тобто

^ t , (8)

S 3 - 210 sm 2 Zjt- ( t

U ф 3 - 2  ^ 3 - 2^0

lT 3

4

2    ж k

I 0 SU!

t

S

■) (9) (10)

U   ф 4 - 1

 

U ф 4 - 2 =

S 4 - 2 I 0  «ПІ   2  ^ ( t -          , (11)

де I0 - інтенсивність світла на виході термочутливого елемента двозаломлювальних кристалів - ЧЕ 3, ЧЕ 4; X= 632,8 нм - довжина хвилі джерела 1 монохро­матичного поляризованого світла;к - функція від температури t; tT3, tT4 - температурний інтервал для термочутливого кристала ЧЕ 3 та ЧЕ 4, що відповідає фазі, кратній до 2п (рис.3).

Для формування градуювальної характеристики КОТП ЧЕ3 температурний інтервал tT3 ділять на 10 та здійснюють вибірки вимірювання напруги Цф3-1 в кожній точці поділу (рис. 3), використовуючи АЦП та отримують цифровий код NtT3-1. Подаючи напругу Цф3-2 на компаратор, одержують на його виході напругу ивіис комгц що дорівнює лог. «1», якщо напруга

Цф3-2  > Ц + Uф3-2m/2, а якщо напруга Цф3-2 < Ц + Uф3-2m

/2, то лог. «0», та отримують цифровий код NtT3-2. Використовуючи цифрові коди NtT3-1,NtT3-2 формують цифровий код NtT3-3, що відповідає дробовій частині температурного інтервалу tT3. Ділення температурного інтервалу tT3 на 10 подане на рис.3,арезультати поділу занесені в табл. 1 [6, 8]. Аналогічно здійснюють формування градуювальної характеристики КОТП ЧЕ 4 з діленням температурного інтервалу tT4 на 40 частин.

Виконані дослідження та моделювання шкали такого КОТП, у результаті чого з отриманих у відносних одиницях температурних інтервалів -0,1-tT3, 0,1- tT4 та 0,1- tT3/4 сформовано однозначний код -п для кожного значення температури на шкалі -t.U


T3

 

 

 

 

 

N,0


N

 

 

 

 

N,1


 

 

 

 

 

N,2


 

 

 

 

 

N, 4

N,3|


 

 

 

 

 

N,5


ф3-2

 

 

 

 

N,7i

N,81


 

 

 

N+1,0


I I

N+1

 

N+

 

N+1,1


1,2

 

N+


1,3


N+1,1


N,9
MLЛог.


«1»


Лог.

«1»
t, oC



Таблиця 1

1

1

1

1 1

1

1

1

1

1

1

nt3-1

011

100

101

101

100

011

010

001

001

010

011

nt3-2

0

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

Nt3-3

0110

1000

1010

1011

1001

0111

0101

1011

0010

0100

0110

Вих.код ЧЕ 3

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

0000

Відмітка Шкали ЧЕ3

n,0

n,1

n,2

n,3

n,4

n,5

n,6

n,7

n,8

n,9

n+1

tT4, відн.од.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

М Степаняк, М Степаняк - Розвиток кристалооптичного методу вимірювання температури з використанням двох чутливих елементів