Исследование методов построения гибридных волоконно-оптических измерительных систем

• Автор: Задворнов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ - 2

ВВЕДЕНИЕ - 3

ГЛАВА 1. ГИБРИДНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ, СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВЫ
1.1 Общие принципы, основная блок-схема гибридного датчика, взаимодействие его основных компонентов
1.2 Современное состояние разработок фотоэлектрических преобразователей монохроматического излучения и монохроматических излучателей

1.3 Традиционные датчики - чувствительные элементы ГВОД - 28

1.3.1 Датчики давления - 29

1.3.2 Датчики температуры - 33

1.3.3 Датчики влажности

1.3.4 Датчики тока и напряжения - 37

1.3.5 Датчики концентрации взрывоопасных газов - 40
1.3.6 Другие типы датчиков
ГЛАВА 2. ПИТАНИЕ УДАЛЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
2.1 Предельные взрывобезопасные уровни мощности оптического излучения
2.2 Многоэлементные фотовольтаические преобразователи на основе кремния
2.3 Одноэлементный фотовольтаический преобразователь на основе АЮаАБ
2.4 Сборка фотовольтаического преобразователя
2.5 Повышающие преобразователи напряжения для использования в волоконных устройствах
2.6 Электролюминесцентные свойства фотовольтаических преобразователей в ГВОД нового типа и их применение
ГЛАВА 3 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АЛГОРИТМЫ КОДИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИМЕРАХ ГИБРИДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
3.1 Алгоритмы кодирования измерительной информации как методы снижения среднего энергопотребления
3.2 Двухканальный датчик температуры ВДГ-2Та
3.3 Многофункциональная оптоэлектронная измерительная система для трехфазных сетей переменного тока - 92
3.4 Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразованием частоты
3.5 Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразователем частоты на основе ИК-светодиода
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Акт о внедрении результатов работы в ИООО «Союз-Кабель»
Приложение 2. Акт о внедрении результатов работы в ОАО «ХОЛТ»
Приложение 3. Публикации С.А.Задвориова
ВВЕДЕНИЕ
АКТУАЛЬНОСТЬ. Развитие современных технологий требует создания соответствующего метрологического обеспечения. Современные технологии отличаются высокой энергетической насыщенностью, что требует создания измерительных систем, обладающих высокой помехозащищенностью, обеспечивающих гальваническую развязку между точкой измерения и регистрирующим устройством, отличающихся высокой точностью, взрывобезопасностью, и относительно невысокой стоимостью. Многим из этих требований отвечают волоконно-оптические датчики, обеспечивающие как гальваническую развязку, так и высокую помехозащищенность. В то же время волоконно-оптические датчики обладают рядом недостатков, которые сдерживают их широкое внедрение в промышленную практику. К этим недостаткам относятся невысокий уровень стандартизации, унификации этих датчиков и их элементной базы. Для их создания зачастую необходимы специализированные оптические элементы, включая специальные волокна, промышленное производство которых еще не освоено в полной мере, что обуславливает их относительно высокую стоимость. Кроме того, эти элементы часто не отличаются высокими показателями по надежности, это может быть связано, например с проблемами обеспечения их механической прочности. В то же время основные преимущества волоконно-оптических измерительных систем, а именно помехозащищенность и гальваническая развязка, обеспечиваются трактом передачи сигнала, выполненном на основе волоконного световода.
Важнейшей особенностью волоконных световодов является также возможность их использования в качестве помехоустойчивой среды передачи на большие расстояния. Этим обусловлено широкое применение волоконно-оптических кабелей для построения корпоративных сетей связи ряда естественных монополий, таких как ОАО «Газпром», ОАО «Российские железные дороги», ОАО «Акционерная компания по

транспорту нефти «Транснефть», компаний энергетического сектора и ряда других. Эти сети, как правило, имеют наложенный характер, т.е. повторяют по своей топологии структуру технологических сетей предприятия, например первичная сеть технологической связи (ПСТС) ОАО «Газпром» проложена вдоль газопроводов, составляющих систему газоснабжения. Это, с одной стороны, диктует дополнительные требования по взрывобезопасное™ технологической связи. С другой стороны, проложенные волоконно-оптические каналы связи находятся в непосредственной близости от технологических объектов, что облегчает задачу построения систем мониторинга. Таким образом, применение волоконных световодов в составе измерительных систем позволяет удалить точку измерения от блока регистрации (пункта обработки измерительной информации) на расстояние, составляющее десятки, и даже сотни километров. В таких случаях помехозащищенность тракта передачи является критическим фактором для обеспечения процесса непрерывного получения измерительной информации.
Подавляющее большинство датчиков физических величин выпускается массово современной промышленностью. Эти датчики представляют собой элементы традиционной микроэлектроники, имеют метрологические характеристики, отвечающие современным требованиям, и невысокую стоимость. Однако когда эти датчики применяются в составе систем без волоконно-оптического тракта передачи, не обеспечивается их помехозащищенность и гальваническая развязка между точкой измерения и регистрирующим устройством.
Более перспективным является подход, совмещающий в измерительных системах достоинства волоконных световодов и преимущества традиционных датчиков. Такие измерительные системы, или гибридные системы, в основе своего устройства содержат волоконный световод в качестве среды передачи измерительной информации, и традиционные датчики в качестве чувствительных элементов. Волоконный световод в таких системах также

Как видно из приведенной таблицы, в диапазоне температур -55 - + 130°.С датчик с высокой точностью калибруется по выходному напряжению, погрешность измерения температуры составляет 1,5 °.С (при 25 °.С) [36].
Кроме рассмотренных выше, выпускаются датчики температуры, выходной сигнал которых представляет импульсную последовательность с шириной импульса, зависящей от температуры (ТМР05/06 Analog Device). Диапазон измерения температуры для этих датчиков составляет -40 - +150 °.С, а средний потребляемый ток (зависящий от режима работы) составляет 30-40 мкА. Достоинством этих датчиков является возможность каскадирования, при котором выходной сигнал предшествующего датчика запускает цикл преобразования на следующем датчике. Это позволяет простыми средствами обеспечить измерение температуры в 2 -10 точках при использовании однопроводной выходной цепи. Следует отметить, что импульсный потребляемый ток этими датчиками может достигать 600 мкА.
Фирмой Analog Device выпускаются более 20 типов датчиков температуры (TI -8), сопрягаемых с микропроцессорами по последовательному интерфейсу SP1, QSPI, MICROWIRE, DSP. Как правило, эти датчики имеют 10 разрядный выходной сигнал и диапазон измерения температуры -40 - +125 °С. Ряд датчиков содержат вспомогательные узлы для управления термостатами. Ток, потребляемый цифровыми датчиками, лежит в диапазоне 200-1000 мкА при напряжении питания ЗВ, что в несколько раз превышает величины характерные для других типов температурных датчиков.
1.3.3 Датчики влажности
В современной российской индустрии датчики влажности используются достаточно широко в таких измерительных задачах, как контроль содержания влаги в нефтепродуктах, их производных, а также в различных видах углеводородного сырья, включая газы. Наиболее широко на российском рынке