Технічні науки/6. Електротехніка і радіоелектроніка

Гаврасієнко А.О., д.т.н. Осадчук О.В.

Вінницький національний технічний університет, Україна

Радіовимірювальні оптичні перетворювачі витрат газу

Зростаюча загальна тенденція в розвитку вимірювальних перетворювачів призводить до збільшення вимог точності до них при одночасному ускладненні умов експлуатації. Все це змушує проводити пошуки і розробку нових методів вимірювання та конструкторських рішень для перетворювачів. Стаття присвячена огляду методів роботи оптичних перетворювачів витрат газу, розкриття їх переваг та недоліків.

Витрата – це кількість речовини, що протікає через даний переріз в одиницю часу.

Прилад, що вимірює витрати речовини, називається витратоміром, а масу або об'єм речовини – лічильником кількості або просто лічильником. Прилад, який одночасно вимірює витрати і кількість речовини, називається витратоміром з лічильником.

Пристрій, який безпосередньо сприймає вимірювану витрату (наприклад, діафрагма, сопло, напірна трубка) і перетворює його в іншу величину (наприклад, в перепад тиску), яка зручна для вимірювання, називається перетворювачем витрати.

Необхідність задоволення різноманітних і складних вимог зумовила створення багатьох видів витратомірів і лічильників кількості, заснованих на самих різних методах вимірювання. Жоден з них не може задовольнити одночасно всім пропонованим вимогам. При виборі того чи іншого приладу треба виходити з властивостей вимірюваного речовини, його параметрів і значень його витрати, а також з обґрунтованих вимог до точності вимірювання, враховуючи при цьому ступінь складності вимірювального пристрою і умови його експлуатації.

Основні методи вимірювання витрати газу [1]:

- перетворювачі витрат змінного перепаду тиску;

- перетворювачі витрат з гідравлічним опором і відцентровим принципом дії;

- перетворювачі витрат обтікання;

- тахометричні перетворювачі витрат і лічильники кількості;

- теплові перетворювачі витрат;

- електромагнітні перетворювачі витрат;

- оптичні перетворювачі витрат.

В подальшій частині будемо розглядати саме оптичні перетворювачі витрат газу.

 Оптичні перетворювачі витрат газу. Оптичними називаються витратоміри, засновані на залежності від витрати речовини того чи іншого оптичного ефекту в потоці.

Є декілька різновидів цих приладів [1]:

1) доплерівські витратоміри, засновані на вимірі різниці частот, що виникає при відображенні світлового променя рухомими частинками потоку;

2) витратоміри, засновані на ефекті Фізо-Френеля, в яких вимірюється параметр (зсув інтерференційних смуг або зсув частоти світлових коливань), пов'язаний із залежністю швидкості світла в рухомій прозорій речовині від швидкості останнього;

3) витратоміри, засновані на особливих оптичних ефектах, наприклад, залежності оптичних властивостей фібрового світловода від швидкості обтікаючого потоку;

4) витратоміри, засновані на вимірі часу переміщення на певному ділянки шляху оптичної мітки, введеної в потік;

5) кореляційні оптичні витратоміри.

Розвиток основних різновидів оптичних витратомірів стало можливо після створення потужних і надійних оптичних квантових генераторів ОКГ, часто званих лазерами, у зв'язку з чим оптичні витратоміри нерідко називають лазерними [2].

Оптичні витратоміри мають багато переваг: високі точність і швидкодія, відсутність контакту з вимірюваним речовиною і ряд інших. Вони застосовуються для оптично прозорих рідин, до яких відносяться вода, гас, бензин, спирт, чотирихлористий вуглець, розчини сірчаної та азотної кислот, а також для газів [2].

Основні серед розглянутих оптичних приладів - допплерівські. Вони застосовуються головним чином для вимірювання місцевих швидкостей рідини і газу в різних дослідницьких роботах з вивчення турбулентності, зняттю поля швидкостей і т. д. Для вимірювання витрати вони застосовуються рідше. Прилади ж, засновані на ефекті Фізо-Френеля, призначені саме для вимірювання витрати. Оптичні витратоміри і швидкостеміри звичайно застосовуються в трубах невеликого діаметра.

Доплерівські витратоміри. Принцип дії витратомірів даного типу заснований на вимірюванні різниці частот, що виникають при відображенні світлового або звукового променя рухомими частинками потоку .

Світло відбивається (або розсіюється ) від великого числа природних або штучних неоднорідностей вимірюваного речовини. Внаслідок чого на приймач буде надходити сигнал, що містить випадкові складові спектра, так як характер складання амплітуд і фаз елементарних відображень випадковий. Хоча потужність сигналу не велика, але цього достатньо для вимірювання допплерівського зсуву .

Схеми оптичних пристроїв у анемометрів і витратомірів Доплера можуть бути різні. Найчастіше джерело випромінювання і фотоприймальний пристрій розташовуються на протилежних сторонах труби, незважаючи на те, що при цьому потрібно дуже жорстка опорна конструкція, що забезпечує незмінність положення оптичної системи. При необхідності всю система можна розташувати з одного боку, але в цьому випадку будуть потрібні більш потужне джерело випромінювання і більше чутлива вимірювальна схема, так як тут на фотоприймач надходять відбиті промені, спрямовані у бік, протилежний руху потоку, інтенсивність яких в сотні і тисячі разів менше променів, що відображаються по напрямку потоку [3] .

Вимірювання допплерівського зсуву частоти при звичайних швидкостях засноване на вимірюванні частоти биття двох когерентних оптичних сигналів, з яких один опорний, а інший розсіюється неоднородностями рухомої речовини.

Розглянемо деякі приклади побудови на основі доплерівського ефекту.

Рис.1. Схема доплерівського швидкостеміра Іеха і Каммінгса

Принцип дії цієї схеми заснований на тому, що промінь, утворений оптичним квантовим генератором ОКГ і сфокусований в точці О лінзою Л1, відображає частину своєї енергії, яка збирається лінзою Л3 і прямує дзеркалом ДЗ1 через діафрагму D на фотокатод фотоелектронні помножувача Ф. Але дана схема має істотний недолік, що полягає у труднощі регулювання положення робочої точки О [2].

Рис.2. Схема доплерівського швидкостеміра

Дана схема позбавлена нестачі попередньої, так як поділ променя відбувається до входу в потік, завдяки чому можна легко змінювати положення робочої точки. Принцип дії: промінь після виходу з ОКГ падає на напівпрозоре дзеркало НД і частково відбивається їм, утворюючи опорний промінь, що проходить через лінзу Л1, потім через рідину ( перпендикулярно її руху без допплерівського ефекту) і через діафрагму D надходить на фотокатод Ф. З ОКГ йде інша частина променя, що проходить через дзеркало НД, фокусується лінзою Л2 в робочій точці О (частково розсіюючись ) і утворює робочий промінь, що проходить через діафрагму D, і надходить на фотокатод Ф. Положення робочої точки О регулюється пересуванням дзеркала ДЗ [1].

Для вимірювання витрати оптичними засобами за допомогою ефекту Доплера застосовують два методи:

1. Цей метод полягає у вимірюванні за допомогою лазерного доплерівського анемометра середньої швидкості потоку і примноження результату вимірювання на площу потоку ;

2. Застосування лазерного допплерівського витратоміра особливої конструкції.

При першому методі вимірюється місцева швидкість ( при відомому її співвідношенні з середньою швидкістю). Швидкість вимірюють у центрі труби або на відстані 0,758r (де r - внутрішній радіус труби) від осі труби. У другому випадку вимірюється безпосередньо середня швидкість, але тут потрібна велика довжина прямої ділянки труби, ніж при вимірюванні швидкості в центрі. Також досить важко зробити вимір середньої частоти допплерівського сигналу через великий градієнт швидкості в даній точці, який призводить до небажаного розширення спектру цього сигналу [4].

Точка в центрі труби не має даного недоліку. Але для вимірювання швидкості в даній точці необхідно знати коефіцієнт гідравлічного тертя труби. Вимоги, яких необхідно дотримуватися при вимірюванні швидкості в одній точці, а також похибки площі перетину трубопроводу наведені в п. 5.3 ГОСТу 8.361-79.

 

Рис.3. Схема доплерівського витратоміра ЛДР-100: (1 - лазер; 2 - поворотні дзеркала; 3 - півхвильова фазова пластинка; 4 - коліматор; 5 - призми; 6 - розширювач пучка; 7 - вихідний об'єктив; 8 - сопло Вітошинського; 9, 10 - об'єктиви приймального блоку; 11 - фотоприймач )

Для зниження похибки вимірювання середньої швидкості і похибки вимірювання площі потоку в трубі встановлюють звужуючий пристрій типу сопла Вітошинського, яке формує рівномірне поле швидкостей. При цьому може бути отримана висока точність вимірювання витрати, близька до точності зразкових витратомірних установок.

При другому методі необхідні пристрої, що дозволяють або одночасно вимірювати доплерівський зсув частот в декількох точках, розташованих на різних відстанях від осі труби, або ж робити цю операцію послідовно, наприклад за допомогою двигуна, який з постійною швидкістю пересуваючись фокусує лінзу і, отже, переміщує робочу точку [5]. На рис.3 показана схема приладу, що вимірює доплерівський зсув частот в декількох точках. На напівпрозоре дзеркало 2 падає світловий промінь від лазера 1. Частина променя, відбита від дзеркала, направляється безпосередньо в потік 5, а інша частина надходить на дзеркало 3 і потім на розщеплювач 4, з якого виходить у вигляді ряду пучків. Ці пучки інтерферують прямого пучка в окремих точках потоку . Проходячи через лінзу 6 і діафрагму 7, вони надходять на протяжний фотоприймач 8. Для отримання вимірювальної інформації застосовується багатоканальний швидкодіючий аналізатор спектру або багатопроменевої допплерівський вимірювач з частотним зсувом пучків, в якому здійснюється як просторове, так і частотне розділення світлових пучків за допомогою обертової дифракційної решітки .

Витратоміри на основі ефекту Фізо-Френеля. Швидкість світла в речовині сn, яка рухається із швидкістю v, залежить від величини і напрямку цієї швидкості. Швидкість сn визначається рівнянням

,

яке теоретично вивів Френель, а експериментально підтвердив Фізо, де сn - швидкість світла в нерухомій прозорій речовині ; v - швидкість руху речовини ; n - коефіцієнт заломлення речовини [1].

Рис.4. Схема інтерференційного витратоміра Фізо-Френеля

Принцип дії витратомірів, заснованих на ефекті Фізо-Френеля наступний: для вимірювання швидкості v на певній ділянці шляху довжиною l створюється замкнутий контур довжиною L, по якому світло циркулює в протилежних напрямках (світло треба пропускати по потоку і проти нього і вимірювати різниця часів проходження світлом даної ділянки шляху). Вимірюється речовина рухається лише на частині цього контуру довжиною L. Зрушення інтерференційних смуг або зсув частоти світлових коливань між обома потоками вимірюються за допомогою фотоприймального пристрою, на який надходять обидва світлових потоку після проходу замкнутого контуру L. Причому як зрушення інтерференційних смуг, так і зсув частоти світлових коливань пропорційні швидкості v вимірюваного речовини.

 Генератори електричних коливань на основі транзисторних структур з від’ємним опором. Генератор електричних коливань є основним елементом частотних перетворювачів, тому розгляд його роботи у широкому плані дає можливість оцінити залежність параметрів перетворювачів від дії як зовнішніх, так і внутрішніх факторів.

Генерування електричних коливань – це процес перетворення різних видів енергії в енергію електричних коливань. Генератором електричних коливань називається автономне джерело, яке працює в режимі самозбудження. За видом джерел перетвореної електричної енергії генератори електричних коливань поділяються на дві основні групи:

1.                    при перетворенні енергії джерел постійної напруги – опорні генератори (автогенератори);

2.                    при перетворенні первинних електричних коливань в коливання необхідної частоти та форми – генератори із зовнішнім збудженням, параметричні генератори, квантові генератори тощо.

Дослідження генераторів другої групи є окремою науковою задачею, яка у монографії не розглядається. В подальшому в монографії під терміном генератор електричних коливань будемо розуміти опорний генератор (автогенератор).

Традиційно генератор електричних коливань являє собою замкнену систему з позитивним зворотним зв’язком, яка містить: джерело живлення; частотно вибірну систему (резонатор), що визначає частоту генерованих коливань; активний елемент, охоплений колом позитивного зворотного зв’язку, що компенсує втрати енергії в частотно вибірній системі; нелінійний елемент, який обмежує амплітуду генерованих коливань [6]. Якщо енергія, яка надходить в пасивні кола, більша від втрат енергії в цих колах, тоді будь-який коливний процес буде наростати.

Інший підхід побудови генераторів електричних коливань полягає у використанні приладів з від'ємним опором для компенсації втрат енергії в пасивних колах настроювання та коливній системі генератора [7].

Процес виникнення від'ємного опору транзисторної структури розглянемо на прикладі оптично керованого ГЕК, електрична схема якого представлена на рис.5а і експериментально отримані ВАХ на рис.5б [8]. На рис.6 представлені еквівалентні схеми ТСВО у вигляді з'єднання чотириполюсників відповідно БТ і ПТ.

Знайдемо рівняння вихідної провідності ТСВО за методикою [9]

                                      (1)

з іншої сторони

                              (2)

Тоді

   (3)

Диференційна провідність ТСВО

                                    (4)

де  – вихідний опір біполярного транзистора в схемі включення СК, коефіцієнт  Зі співвідношення (4) видно, що введення додаткового джерела напруги  збільшує величину від'ємної диференційної провідності на

                                         а)                                                             б)

Рис.5. Електрична схема (а) і статична ВАХ (б) оптично керованого генератора з фотодіодом в колі зворотного зв'язку

 

          

                     а)                                                                   б)

Рис.6. Еквівалентні схеми оптично керованого генератора з фотодіодом у колі позитивного зворотного зв’язку

Узагальнена еквівалентна схема ГЕК на основі приладу з ВО представлена на рис.7.

Рис.7.  Узагальнена еквівалентна схема ГЕК на основі приладу з ВО

Величини активної і реактивної складових повної провідності реальних напівпровідникових приладів залежать не лише від режиму роботи приладів, але й від амплітуди і частоти стаціонарних коливань. Еквівалентна схема генератора на рис.7 містить нелінійну частину, яка являє собою середню провідність по першій гармоніці напівпровідникового приладу з від'ємним опором

                              (5)

де  і  для приладів N- і Λ-типів.

Лінійна частина має комплексну провідність

                                 (6)

де  – провідність активних втрат на елементах настройки генератора;  – еквівалентна реактивна складова частотно вибірної системи генератора з врахуванням перерахованих до неї паразитних реактивностей схеми ( для ГЕК на приладах N- і Λ-типів);  – провідність навантаження.

Рівняння (6) можна переписати в скороченому вигляді

                                     (7)

де

Комплексне рівняння ГЕК на основі приладу з ВО

                                   (8)

Комплексне рівняння (8) складається з двох умов балансу активних і реактивних провідностей, які відповідають балансу фаз та балансу амплітуд генераторів із зовнішнім зворотним зв’язком [10].

Діапазонні ГЕК з широкою смугою перебудови частоти генерації виконуються у вигляді автогенераторів з керуванням величини одного з реактивних елементів (або двох) коливальної системи під дією оптичного випромінювання або зміни напруг живлення. Діапазонні ГЕК на основі ТСВО являють собою LC-автогенератори, функцію одного з реактивних елементів якого, або обох, виконує напівпровідникова транзисторна структура. Її повний опір має реактивну складову (індуктивну або ємнісну). Еквівалентні схеми таких генераторів наведені на рис.8. Втрати в коливальному контурі ГЕК компенсуються за рахунок наявності від’ємного диференціального опору транзисторної структури активного елемента генератора.

Можливість побудови НВЧ ГЕК на основі ТСВО обмежена паразитними реактивностями перехресних зворотних зв’язків і складає межу 1 ГГц. Підвищені вимоги до стабільності частоти генерації НВЧ ГЕК призводять до необхідності побудови низькочастотних опорних генераторів  на основі ТСВО, для яких простіше забезпечити підвищену стабільність частоти. В подальших каскадах генераторних пристроїв відбувається підсилення генерованих сигналів та помноження частоти [10]. Амплітудну та імпульсну модуляцію здійснюють в кінцевих каскадах пристроїв генерації, а частотну модуляцію – безпосередньо у опорних генераторах. Можливість здійснити широкосмугову частотну модуляцію у ГЕК на ТСВО без додаткових електричних кіл настроювання є основною перевагою генераторів такого класу. При цьому відносна нестабільність частоти таких генераторів складає не більше 10-5 [11].

Література:

1. Кремлевский П.П., Расходомеры и счетчики количества веществ – Политехника 2004. – 186 c

2. Осадчук, В. С. Радіовимірювальні мікроелектронні перетворювачі витрат газу з частотним виходом : монографія / В. С. Осадчук,О. В. Осадчук, Ю. А. Ющенко — Вінниця : ВНТУ, 2012. — 140 с.

3. Дементьєв C.Ю. Надійність програмного забезпечення обчислювача витрати енергоресурсів / Дементьєв C.Ю., Дементьєв Ю.В. // „Радіоелектронні і комп’ютерні системи ”. Науково-технічний журнал національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційних інститут ”. – 2007. – №7(26). – 202 c.

4. Пат. 2002 /0043710А1 США, МКІ H 01L 23/48. Flow sensor in a housing / Felix Mayer, Marc R. Hornung (CH). – № 09931511; заявлено 16.08.2001; опубликовано 18.04.2002.

5. Дементьєв C.Ю. Аналіз похибок інформаційно-вимірювальної системи витрати газів / Дементьєв C.Ю. // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2006. – №6. – 66 c.

6. Генераторы высоких и свервысоких частот: Учеб. пособие./ О. В. Алексеев, А. А. Головков, А. В. Митрофанов и др. – М.: Высш. шк., 2003. – 326 с.

7. Хотунцев Ю. Л. Синхронизированные генераторы и автодины на полупроводниковых приборах / Ю. Л. Хотунцев, Д. Я. Тамарчак. – М.: Радио и связь, 1982. – 240 с.

8. Осадчук В. С. Температурні та оптичні мікроелектронні частотні перетворювачі. Монографія / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук, В. Г. Вербицький. – Вінниця: УНІВЕРСУМ–Вінниця, 2001. – 195 с.

9.  Філинюк М. А. Теоретичні основи негатроніки. Навчальний посібник / М. А. Філинюк. – Вінниця: ВДТУ, 2002. – 105 с.

10. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб. пособие для вузов/ [Г. М. Уткин, М. В. Благовещенский, В. П. Жуховицкая и др.]; Под ред. Г. М. Уткина. – М.: Сов. радио, 1979. – 320 с.

11. Осадчук О. В. Дослідження НВЧ генератора електричних коливань на основі транзисторної структури з від’ємним опором / О. В. Осадчук, А. О. Семенов // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. – №5(62). – С.149–154.