авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Информационно – измерительная система атмосферного мониторинга на базе акустооптического газоанализатора

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МУХАМАДИЕВ АЙДАР АСХАТОВИЧ

ИНФОРМАЦИОННО ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА АТМОСФЕРНОГО МОНИТОРИНГА НА БАЗЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

Специальности:

05.11.16 – «Информационно – измерительные и управляющие системы»

05.13.18 – «Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа - 2006

Работа выполнена в Уфимской государственной академии экономики и сервиса

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор Ураксеев Марат Абдуллович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Исмагилов Флюр Рашитович; доктор технических наук, профессор Гречишников Владимир Михайлович.
Ведущая организация ОАО Башкирское специальное конструкторское бюро «Нефтехимавтоматика», г.Уфа.

Защита состоится 23 декабря 2006 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, конференц-зал.

С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан 22 ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д-р техн. наук, профессор Петрова И.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с возрастающим воздействием человеческой деятельности на окружающую среду важнейшей общечеловеческой проблемой оказалась охрана окружающей среды, сохранения в допустимых пределах уровня загрязнения атмосферы. Природная среда, находящаяся под постоянным антропогенным воздействием, постепенно утрачивает уникальную способность к самоочищению, что может привести в конечном итоге к необратимым процессам, грозящим гибелью человечества. Таким образом, индустриальное воздействие на природную среду настолько серьезно (рисунок 1), что требует постоянного контроля экологической обстановки для своевременного принятия неотложных мер по сохранению в допустимых пределах уровня загрязнения атмосферы. В последнее десятилетие задача эффективного контроля и защиты воздушного бассейна от промышленных загрязнений приобретает еще большую актуальность, вследствие чего Правительство РФ приняло постановление № 1229 от 24.11.93 г. "О создании единой государственной системы экологического мониторинга".

 Количество выброшенных-2

Рисунок 1 - Количество выброшенных загрязняющих веществ в атмосферу за 1999 - 2004 гг. (по Российской Федерации)



Существенной сложностью при анализе качества воздуха и выработке действенных мероприятий по поддержанию чистоты воздушного бассейна является фиксация и оперативная оценка как временных, так и пространственных колебаний концентраций отдельных ингредиентов. Временной фактор может быть обеспечен автоматизацией и непрерывностью процесса измерения. Пространственная плотность измерений в каждом конкретном случае выбирается на основе компромисса между требуемой точностью и экономическими возможностями.

Решение проблемы охраны окружающей среды как в отдельных регионах, так и в масштабах всей планеты невозможно без создания информационно – измерительных систем (ИИС) атмосферного мониторинга. Существующие в настоящее время ИИС атмосферного мониторинга не в полной мере отвечают предъявляемым к ним требованиям в отношении большого динамического диапазона, широкой номенклатуры измеряемых газов, высокой точности измерения, стабильности характеристик, высокой скорости измерения, возможности дистанционного измерения, помехоустойчивости, устойчивости к изменению параметров окружающей среды (температуры, влажности, вибрации и т.д.), высокой чувствительности, универсальности, селективности, простоте юстировки, высокой надежности, простоте конструкции и т.д.

Таким образом, задача совершенствования существующих и создания новых методов и средств атмосферного мониторинга является актуальной и требует безотлагательного решения.

Требованиям, предъявляемым к ИИС атмосферного мониторинга, удовлетворяют ИИС атмосферного мониторинга на основе акустооптического газоанализатора. Акустооптические газоанализаторы лишены многих недостатков, присущих другим газоанализаторам.

Вопросам теории и расчета акустооптических элементов, а также конструирования отдельных акустооптических газоанализаторов посвящены труды отечественных и зарубежных ученых Балакший В.И., Волошинова В.Б., Гасанова А.Р., Клудзина В.В., Кулакова С.В., Магдича Л.Н., Парыгина В.Н., Тхоржевского В.П.,Франко Р.Т., Шелопута Д.В., Chang I.C., Damon R.W., Dixon R.W., Feigolson R.S., Gordon E.I., Harris S.E., Korpel A., Nieh S.T., Niizeki N., Uchida N., Yano T., Young E.H., Yao S-K. и других.

Однако в известных работах отсутствуют сведения о принципах построения акустооптических газоанализаторов (АОГА). Отсутствуют сведения о разработке математических моделей акустооптических газоанализаторов и исследовании их основных характеристиках. Нет информации об исследовании технических возможностей АОГА, их эксплуатационно-технических характеристиках, методике их проектирования и практическом использовании.

Это сдерживает создание новых АОГА, обладающих улучшенными характеристиками, и их использование в ИИС атмосферного мониторинга.

Вот почему необходимо проведение исследований по моделированию акустооптических газоанализаторов и исследованию их основных характеристик с целью создания научной базы для проектирования и разработки новых акустооптических газоанализаторов, обладающих улучшенными показателями качества. Это является актуальной научно-технической задачей, так как применение АОГА позволяет улучшить функциональные характеристики ИИС атмосферного мониторинга.

Основание для выполнения работы. Исследования в рамках диссертационной работы проводились в соответствии с: 1 Планами НИР Уфимского государственного авиационного технического университета и Уфимской государственной академии экономики и сервиса по теме: «Исследование возможности построения датчиков физических величин с использованием акустооптических эффектов» (единый заказ – наряд по теме АП – ИТ – 15 – 00 – 03/Б, выполненной по заданию Министерства образования Российской Федерации, 2003-2005гг.).

2 Грантом Министерства образования Российской Федерации для поддержки НИР аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию (основание: сводная ведомость проектов – победителей конкурса, утвержденная Федеральным агентством по образованию, 2004 г.).

3 Проектом «UM JEP – 26108 – 2005 Network for universities and enterprises cooperation (NEUC)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС - ТАСИС» (2006г.).

Цель диссертации. Создание и исследование акустооптического газоанализатора с улучшенными характеристиками для использования в информационно–измерительных системах атмосферного мониторинга.

Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:

1 Провести сопоставительный анализ существующих технических решений, используемых для построения газоанализаторов. Выявить возможности повышения эффективности существующих ИИС атмосферного мониторинга.

2 Разработать принципы построения АОГА и провести анализ их использования в ИИС атмосферного мониторинга.

3 Разработать математическую модель АОГА, установить с помощью математического моделирования его технические возможности.

4 Выявить и исследовать основные характеристики АОГА.

5 Исследовать источники погрешностей АОГА.

6 Разработать рекомендации по проектированию АОГА, включающие методику проектирования акустооптического перестраиваемого фильтра (АОПФ), рациональный выбор материалов АОПФ, пьезоэлектрического преобразователя, акустического поглотителя.

7 Разработать конструкцию АОГА и провести его экспериментальные исследования.

Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением общей теории вероятности и случайных процессов, теории статистической оптики, теории систем и преобразований, теории электромагнитного поля, принципов модульного и объектно-ориентированного программирования, использованием уравнений упругих волн в средах и других. Широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Maple, SigmaPlot, Delphi и др.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Машины и аппараты бытового назначения» Уфимской государственной академии экономики и сервиса.

На защиту выносятся:

1 Систематизация принципов построения акустооптических газоанализаторов.

2 Математическая модель АОГА, описывающая основные закономерности процессов функционирования газоанализатора.

3 Результаты исследования основных характеристик АОГА.

4 Методика проектирования АОПФ.

5 Конструкция акустооптического газоанализатора.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

1 Систематизированы принципы построения АОГА и дана их сопоставительная оценка.

2 Разработана математическая модель АОГА в виде аналитической зависимости выходного напряжения фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и элементов структуры АОГА.

3 На основании исследования основных характеристик разработаны способы улучшения эксплутационных характеристик АОГА.

4 Разработана методика расчета параметров АОПФ.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

1 Разработаны принципы построения акустооптических газоанализаторов, реализованные при проектировании АОГА для ИИС атмосферного мониторинга.

2 Предложена оригинальная конструкция АОГА, имеющая повышенную точность и помехоустойчивость.

3 Разработана методика расчета параметров АОПФ.

4 Проведен комплекс экспериментальных исследований по получению и обработке данных, обеспечивающих практическое использование предложенного метода расчета АОГА.

В результате исследований получены свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ ФИПС №2005611855 от 27.07.2005 года «Расчет оптимальных конструктивных и рабочих параметров акустооптических устройств» и патент на полезную модель «Газоанализатор» № 51742 от 27.02.2006 года.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Математическая модель акустооптического газоанализатора для мониторинга окружающей среды» по гранту Министерства образования Российской Федерации № А04 – 3.20 – 682 для поддержки научно – исследовательской работы аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию.

Основные результаты диссертационной работы в виде сравнительного анализа существующих газоанализаторов, принципов построения акустооптических газоанализаторов, методики инженерного расчета и характеристики погрешностей акустооптических газоанализаторов, основных характеристик акустооптических газоанализаторов внедрены на ОАО «Конструкторское бюро электроизделий XXI века» (г.Сарапул), ОАО «Ижевский радиозавод» (г.Ижевск).





Принципы построения и методика расчета характеристик АОГА внедрены в учебный процесс при чтении лекций по различным дисциплинам, курсовом и дипломном проектировании в Уфимской государственной академии экономики и сервиса.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVI Всероссийской научно – технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»(г. Судак, Крым, 2004 год); Международной научно – технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах»(г.Пенза, 2004 год); Региональной научно-практической конференции молодых ученых (г.Уфа, 2004 год); I – ой Международной научно – технической конференции «Инновации и перспективы сервиса»(г.Уфа, 2004 год); II – ой Международной научно – технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г.Уфа, 2005 год); Российском Конгрессе по газораспределению и газопотреблению(г.Санкт – Петербург, 2006 год). Работа отмечена грамотой конгресса за лучшую научно – техническую разработку среди молодых специалистов.

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

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 163 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 12 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследования, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечается их новизна и практическая значимость. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.

В первой главе описаны некоторые ИИС и приведена структурная схема ИИС атмосферного мониторинга. Показано, что газоанализаторы широко используются в ИИС экологического мониторинга. Произведена сопоставительная оценка известных методов газового анализа и газоанализаторов на их основе. Выявлена необходимость создания новых газоанализаторов, так как известные не в полной мере отвечают возросшему комплексу требований. Исходя из этого показано, что наиболее перспективным направлением для создания новых газоанализаторов является использование акустооптических эффектов и явлений.

На основании исследования большого объема известной научно – технической и патентной литературы были систематизированы принципы построения акустооптических газоанализаторов (рисунок 2) и рассмотрены наиболее характерные конструкции и функциональные схемы АОГА, в которых они используются.

 Принципы построения АОГА -3

Рисунок 2 - Принципы построения АОГА

Предложен разработанный автором новый акустооптический газоанализатор, позволяющий увеличить точность измерения. Газоанализатору, основанному на акустооптическом эффекте, присущи более широкие функциональные возможности, включая возможность анализа в реальном масштабе времени.

Во второй главе разработана и исследована математическая модель АОГА.

Разработаны структурная (рисунок 3) и принципиальная схемы АОГА, представляющие собой соединение основных элементов преобразователя и отражающие физические процессы, происходящие в нем при прохождении светового излучения по оптическому тракту, а ультразвуковой волны по акустическому тракту, включая АОПФ, в котором происходит взаимодействие этих сигналов.

Предложено считать математической моделью АОГА аналитическую зависимость выходного напряжения фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и параметров оптической системы АОГА.

1 – источник питания; 2 – источник излучения; 3 – акустооптический перестраиваемый фильтр; 4 – входной оптический блок; 5 – исследуемая среда; 6– выходной оптический блок; 7 – фотоприемник; 8 – усилитель;

9 – аналого-цифровой преобразователь; 10 – интерфейс; 11 – ПЭВМ;

12 – генератор высокочастотный; 13 – пьезоэлектрический преобразователь.

Рисунок 3 - Структурная схема АОГА

При подаче на вход пьезопреобразователя (рисунок 4) гармонического колебания в акустооптической ячейке возникает акустическое поле

, (1)

где , .

Здесь L и D – размеры акустического «столба»; и – частота и волновое число акустической волны.

На оптический вход ячейки поступает плоская световая волна

, (2)

где b- угол между направлением распространения волны и осью z;

и – частота и волновое число падающей световой волны соответственно.

1 – источник излучения; 2 – акустооптический перестраиваемый фильтр; 3 – анализируемая среда; 4 – фотоприемник.

Рисунок 4 - Модель акустооптического взаимодействия АОГА

При этом на выходе акустооптического фильтра будем иметь волну e2(t,x,z)

(3)

где – комплексный коэффициент передачи акустооптического взаимодействия.

Учитывая составляющие исследуемой среды и элементы принципиальной схемы АОГА, получим математическую зависимость выходного напряжения фотоприемника

(4)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.