Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций
Каталог

Обратная связь

Я ищу:

Содержимое электронного каталога российских диссертаций

Диссертационная работа:

Левина Татьяна Михайловна. Информационно - измерительная система с волоконно-оптическим преобразователем магнитного поля : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.16 / Левина Татьяна Михайловна; [Место защиты: Астрахан. гос. ун-т].- Уфа, 2010.- 143 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/1446


Для получения доступа к работе, заполните представленную ниже форму:


*Имя Отчество:
*email



Содержание диссертации:

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава I. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ 12

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 12

1.1. Информационно-измерительные системы 12

1.2. Сравнительный анализ методов и средств измерения магнитного поля и
классификация известных преобразователей магнитного поля 17

1.2.1. Магнитооптические преобразователи 19

  1. Сопоставительная оценка магнитных преобразователей 20

  2. Принципы построения волоконно-оптических преобразователей магнитного поля 23

  1. Поворот плоскости поляризации света в витке оптического волокна 25

  2. Разделение луча света с выхода витка оптического волокна на два луча 26

  3. Переплетение входных и выходных световодов витка оптического волокна 29

  4. Последовательное соединение между собой (п-1) чувствительных элементов световода 30

  5. Последовательное соединение оптического волокна с зеркальной пьезокерамической мембраной 31

  6. Использование двух световодов, охватывающих токопровод и соединенных поляризационно-нечувствительным соединителем 34

  7. Введение магнитооптических пленок между оптическим волокном и модовым фильтром 35

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 38

Глава П. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (ВОПМП) ДЛЯ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ (ИИС)
ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 39

  1. Физическая модель ВОПМП 39

  2. Математическая модель ВОПМП 41

  1. Определение основных параметров, характеризующих величину магнитного поля 42

  2. Распространение оптического излучения в веществе 49

  3. Движение световой волны в оптической системе чувствительного элемента ВОПМП 55

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II 71

Глава III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ,
ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИЕТЛЬНОИ СИСТЕМЫ С ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 72

  1. Точность ВОПМП и методы ее нормирования 72

  2. Классификация погрешностей ВОПМП 73

3.3. Методические источники основной погрешности ВОПМП 79

3.3.1. Влияние температуры на диамагнитное оптическое волокно...79

3.3.3. Влияние сторонних источников излучения 80

3.4 Инструментальные источники основной погрешности 83

  1. Влияние погрешности неоднородности среды ВОПМП 83

  2. Нестабильность коэффициента передачи схемы 85

3.5. Внутренние источники дополнительной погрешности ВОПМП 88

  1. Питание от источников вторичного электропитания 89

  2. Питание измерительной цепи от автономного источника 89

3.6 Внешние источники дополнительной погрешности ВОПМП 89

3.6.1. Влияние климатических факторов 90

3.6. Построение модели погрешности ВОПМП для ИИС 91

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III 96

Глава IV. РАЗРБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 97

  1. Методика проведения эксперимента 97

  2. Результаты проведения эксперимента 101

  3. Основы проектирования ВОПМП 108

4.3.1. Методика проектирования и расчет оптимальных
конструктивных и рабочих параметров ВОПМП 109

4.4. Экономическая эффективность инвестиций в ИИС С ВОПМП 113

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119

ЛИТЕРАТУРА 121

ПРИЛОЖЕНИЯ 136

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЦП - Аналого-цифровой преобразователь

ГОСТ - Государственный стандарт

ИИС - Информационно-измерительная система

ИИУС - Информационно-измерительная и управляющая система

ИП - Измерительный преобразователь

ВОПМП - Волоконно- оптический преобразователь магнитного поля

ВЛ -Воздушные линии

ЛД - Лазерный диод

ОВ - Оптическое волокно

ОУ - Операционный усилитель

ПК - Персональный компьютер

ПТН - Преобразователь ток-напряжение

РИП - Регулируемый источник питания

ФД - Фотодиод

ФПУ - Фотоприемное устройство

ЧЭ - Чувствительный элемент



Введение диссертации:

Актуальность темы. Современные предприятия нефтепереработки и нефтехимии представляют собой сложные комплексы, состоящие из технологических установок, предназначенных для выполнения конкретных технологических операций.

В качестве сырья, продуктов и полуфабрикатов установок нефтепереработки выступают смеси углеводородов, которые обладают взрывопожароопасными свойствами. Взрывоопасность установок нефтепереработки определяется не только физико-химическими свойствами углеводородов и их смесей, но также и параметрами технологического процесса.

По данным Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны, ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих предприятиях происходит до 1500 аварий, большая часть которых приводит к пожару и уносит значительное число человеческих жизней, а материальный ущерб составляет более 100 миллионов долларов в год, причем сохраняется четкая тенденция к увеличению этих показателей.

Повышение уровня пожарной опасности в значительной степени определяется дефектами электрооборудования

Решение проблемы обеспечения пожарной безопасности предприятий

нефтеперерабатывающей отрасли, неразрывно связано с построением

современных информационно-измерительных систем (ИИС) для управления

технологическими процессами, отвечающих требованиям искро-,

взрывобезопасности и работоспособности в сложных производственных

условиях. ИИС на основе волоконной оптики, в отличие от традиционных

ИИС, позволяют решать эти задачи.

Качество любой ИИС зависит от характеристик ее компонентов и, в

первую очередь, от характеристик первичных измерительных

преобразователей (ИП) физических величин.

При этом также очень важны такие характеристики ИП, как точность, быстродействие, малые габариты, надежность, чувствительность и другие.

В общем комплексе ИП для напряженности магнитного поля, основанных на различных физических принципах, в последние годы получили широкое развитие волоконно-оптические преобразователи магнитного поля (ВОПМП) в силу ряда присущих им преимуществ: высокое быстродействие (10" с), точность (погрешность до 0,1%), надежность и т.д. Особое место среди них занимают ВОПМП, основанные на магнитооптическом эффекте Фарадея в оптическом волокне, т.к. их применение, взамен магнитных преобразователей на эффекте Холла, позволяет резко уменьшить габариты и массу преобразователей в десятки раз.

Современные ИИС с ВОПМП должны определять техническое состояние электрооборудования, предупреждать аварии, повышать эффективность внеплановых и уменьшать число необоснованных планово-предупредительных ремонтов электрооборудования, а также оценивать остаточный ресурс в первую очередь того электрооборудования, которое отработало свой нормативный срок.

Вопросам теории, расчета и конструирования ВОПМП для ИИС посвящены труды отечественных и зарубежных ученых: Бусурина В. И., Буркова В.Д., Вицинского С.А., Исакова В.Н., Казачкова Ю.П., Кирина И.Г., Кузнецовой В. И., Ловчего И.Л., Пименова А.В., Williams Р, Rose A, Day G, Milner Т, Deeter М. и других.

Однако в этих работах не в полной мере приведены исследования, включающие принципы построения, математическое моделирование, основные и метрологические характеристики, методику проведения экспериментов и разработку основ проектирования ВОПМП для ИИС управления технологическими процессами повышенной безопасности.

Эти исследования особенно необходимы для создания и исследования ИИС с ВОПМП, отвечающей требованиям абсолютной искро-,

взрывобезопасности, с улучшенными характеристиками (высокая точность,
быстродействие, чувствительность). Поэтому тема данной диссертационной
работы, посвященной разработке ИИС с ВОПМП, обладающей

улучшенными характеристиками, является актуальной научно- технической задачей, решение которой позволяет повысить качество функционирования и технико-экономические показатели ИИС, в которых они используются.

Основание для выполнения работы. Исследования в рамках диссертационной работы проводились в соответствии с:

1.Планами научно исследовательской раоботы Уфимской государственной академии экономики и сервиса по теме: Создание датчиков для измерения физических величин.

2.Двумя международными проектами по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС».

Цель диссертации: Создание и исследование информационно -измерительной системы с волоконно - оптическим преобразователем магнитного поля, обладающей улучшенными характеристиками и отвечающей требованиям искро-, взрывобезопасности.

Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:

  1. Провести сопоставительный анализ известных методов и средств контроля напряженности магнитного поля для ИИС управления технологическими процессами и выявить наиболее перспективные из них.

  2. Разработать математическую модель ВОПМП, позволяющую определить увеличения интенсивности светового излучения на выходе чувствительного элемента ВОПМП для ИИС.

  3. Исследовать основные характеристики ВОПМП и дать рекомендации по путям их улучшения для использования в ИИС повышенной безопасности.

  4. Исследовать источники погрешностей и разработать методы повышения точности ВОПМП для ИИС.

5. Разработать основы проектирования ВОПМП для ИИС, обеспечивающих искро-, взрывобезопасность, создать ВОПМП, провести его экспериментальное исследование и обработку результатов эксперимента.

Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением теоретических основ электротехники, электроники, волновой и геометрической оптики, законов поляризационного излучения. При выполнении исследований широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Sigma Plot, Компас, Mat Lab, Visual Basic и др.

На защиту выносятся:

  1. Принципы построения ВОПМП для ИИС, обладающей повышенной безопасностью, сформулированные на основе сопоставительной оценки преобразователей магнитного поля.

  2. Математическая модель ВОПМП, описывающая основные закономерности процессов функционирования преобразователя для ИИС.

  3. Результаты исследования основных характеристик ВОПМП и методы их улучшения для обеспечения эффективности ИИС управления технологическими процессами повышенной безопасности.

  4. Методика проектирования ВОПМП для ИИС и результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

  1. Систематизированы принципы построения ВОПМП и дан их анализ, позволяющий создавать искро-, взрывобезопасные ИИС.

  2. Впервые разработана математическая модель ВОПМП для ИИС в виде аналитической зависимости напряжения на выходе усилителя от напряженности внешнего магнитного поля.

  3. На основании исследования основных характеристик разработаны способы улучшения эксплуатационных характеристик ВОПМП, обеспечивающие эффективность функционирования ИИС.

4. Разработана методика расчета ВОПМП с улучшенными характеристиками, позволяющая ускорить проектирование ВОПМП.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

  1. Проанализированы принципы построения ВОПМП для искро-, взрывобезопасных ИИС.

  2. Предложена оригинальная конструкция ВОПМП, имеющая повышенную точность и помехоустойчивость, что обеспечит увеличение эффективности функционирования ИИС.

  3. Впервые предложена математическая модель ВОПМП для ИИС, позволяющая выявить способы улучшения основных характеристик ВОПМП.

  4. Проведен комплекс экспериментальных исследований для практического использования ВОПМП для ИИС

  5. Разработана программа «Расчет оптимальных конструктивных и рабочих параметров магнитооптических преобразователей» позволяющая сократить время при проектировании ВОПМП, для ИИС повышенной искро-, взрывобезопасности

  6. Разработана программа «Расчет эффективности инвестиционных проектов», оценивающая эффективность инвестиций ИИС с ВОПМП.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II - ой, III - ей, IV - ой Международной научно - технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, 2006, 2007 гг.); Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (г. Астрахань, 2007, 2008 гг.); Научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование. Наука. Технология. Производство», (г. Салават, 2007 г.), посвященной 450-летию добровольного вхождения Башкирии в состав России (работа отмечена грамотой конференции); Конкурсе на лучшую научную работу студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным

наукам в Уфимской государственной академии экономики и сервиса, (работа отмечена дипломом 2 — ой степени в секции «Механика и технология сервиса») (г. Уфа, 2007 г.); Конференции молодых ученых и инноваторов «Инно - Каспий», (г. Астрахань 2009 г.)

Автором выигран грант по программе «У.М.Н.И.К.» на проект «Магнитооптические преобразователи информационно — измерительных систем контроля электрического тока и магнитного поля», подготовленный на основе исследований, выполненных в данной диссертационной работе.

Основные результаты диссертационной работы внедрены: производственный процесс на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», (г. Салават); учебный процесс в Филиале ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет в г. Салават.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 патент на полезную модель, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и 3 статьи в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основная часть диссертационной работы состоит из 143 страниц машинописного текста, содержит 42 рисунка и 13. таблиц.

Реклама


2006-20011 © Каталог российских диссертаций