Ціна:
Автори роботи:
ВЛАДИ ВОЛОДИСЛАВ ЛЕОНИДОВИЧ
ТИХОМІРОВ СЕРГІЙ АНАТОЛЬОВИЧ
ХЛІБНИКІВ ДМИТРИЙ ВАДИМОВИЧ
Науковий журнал:
Рік виходу:
Текст наукової статті на тему «АДАПТИВНИЙ ЦИФРОВИЙ ФАЗОЛЮМІНЕСЦЕНТНИЙ ДАТЧИК РОЗЧИНЕНОГО У МОРСЬКІЙ ВОДИ КИСНЕДУ»
1. Євстіфєєв А. В. Мікроконтролери AVR сімейств Tiny та Mega фірми "ATMEL". – М.: Додека-XXI, 2007. – 432 с.
2. Горбунов В. Л. Однокристальні мікро-ЕОМ // Обчислювальна техніка та її застосування // Мікропроцесори. - 1989. - № 1. - С. 30-47.
3. Трамперт В. Вимірювання, керування та регулювання за допомогою AVR-мікроконтролерів. Пров. з ним. - К.: МК-Прес, 2006. - 208 с.
4. Вострухін О. В. Аналого-цифрове перетворення з використанням широтно-імпульсної модуляції // Праці та пленарні доповіді учасників конференції УКІ'12. - М.: ІПУ РАН, 2012. - С. 656-661.
5. Пат. Україна № 2298872. Аналого-цифровий перетворювач з керованою чутливістю на базі мікроконтролера / О. В. Вострухін // Бюл. - 2007. - № 13.
6. Вострухін А. АЦП з урахуванням мікроконтролера AVR // Схемотехніка. - 2006. - № 3. - С. 39-40.
7. Дияконів В. П. MATLAB та SIMULINK для радіоінженерів. - М.: ДМК-Прес, 2011. - 976 с.
Олександр Віталійович Вострухін - канд. техн. наук, доцент кафедри "Інформаційні технології та електроніка" Ставропольського технологічного інституту сервісу (філія ЮРГУЕС).
АДАПТИВНИЙ ЦИФРОВИЙ ФАЗОЛЮМІНЕСЦЕНТНИЙ ДАТЧИК РОЗЧИНЕНОГО У МОРСЬКІЙ ВОДИ КИСНЮ
В. Л. Власов, Д. В. Хлєбніков, С. А. Тихомиров
Описаний адаптивний фазолюмінесцентний датчик розчиненого в морській воді кисню, що автоматично налаштовується на максимальну чутливість довимірюваній величині і має більш широкий динамічний діапазон в області малих концентрацій кисню, меншу похибку та постійну часу, а також лінійну шкалу.
Ключові слова: парціальний тиск, індукована люмінесценція, частота, фаза, амплітудна модуляція, морська вода, розчинність газів, кисень, датчик, динамічний діапазон, адаптивність, океанологічний зонд, редокс-шар.
В океанологічних дослідженнях при вимірі вертикальної стратифікації гідрофізичних та гідрохімічних параметрів CTD-зондами, наприклад, солоності £ і концентрації розчиненого в морській воді кисню 0 використовуються електрохімічні промислові датчики, які за принципом роботи незворотно споживають масу найдосліджуваної речовини. Тому для нормального функціонування таких датчиків та забезпечення необхідної точності вимірювань потрібне безперервне прокачування морської води щодо їх чутливих елементів (ЧЕ) з постійною швидкістю. Це значно ускладнило конструкцію прецизійних CTD зондів за рахунок використання спеціальної помпи та не дозволяло вимірювати мікроструктуру стратифікації вищезазначених параметрів.
Крім того, датчики електрохімічного типу схильні до впливу електромагнітних перешкод, а також старіння та забруднення, в багатьох випадках необоротного з метрологічної точки зору, через конструктивну складність доступу до ЧЕ для його очищення. Такі датчики кисню втрачають працездатність у сірководневому шарі, що дозволяє точно досліджувати редокс-шар.
Існують оптичні люмінесцентні датчики кисню (фото- і фазолюмінесцентні), позбавлені перелічених вище недоліків (наприклад, промислові фазолюмінесцентні датчики (ФД) фірми
Aanderaa [1] та досвідчені зразки ІО РАН [2]). Однак, всепромислові люмінесцентні кисневі датчики, за винятком досвідчених зразків ІО РАН, виявляються принципово несумісними з CTD-зон-дами, наприклад, відомої фірми SeaBird через їх великий постійний час (
6-7 с) [3]. Єдиним принципово сумісним із CTD-зондами є ФД кисню ІО РАН із постійною добою
0,1 с [2], виконаний електрично, програмно та конструктивно сумісним із зондами SeaBird.
У ряді зондувань вертикального профілю концентрації розчиненого в морській воді кисню, проведених експедицією ІВ РАН у 2007-2008 роках. на Чорному морі в прибережній зоні, порівнювався ФД ІО РАН у складі CTD-зонду SBE 19+ американської фірми Sea Bird Electronics з новим (тобто практично незабрудненим) штатним електрохімічним датчиком кисню SBE 43 цієї фірми.
Збіг профілів, особливо у початковій тонкоструктурної частини, було ідеальним. Деяке невелике систематичне розбіжність виміряних величин на початку зондування було пов'язане з випадково не введеною систематичною поправкою до показань ФД ІВ РАН. Необхідність деякого перекалібрування за атмосферним тиском [2] після багатогодинних зондувань відноситься до недоліків ФД.
Так, спостерігається зниження його чутливості до кисню.
1% після трьох годин безперервної роботи внаслідок світлодеструкції люмінофорної плівки. При цьому сигнал фотолюмінесценції стає меншим, а показник концентрації кисню — більшим. Показання концентрації кисню в ml/l обчислюються згідно з Океанографічними таблицями UNSCO [4] за формулами, що враховують парціальний тиск кисню, глибину, температуру та солоність морської води. Оскільки згідно з [2] датчик одночасно працездатний в повітряному середовищі, цей недолік цілком усунутим прийого використання в CTD-зондах шляхом періодичного перенормування показань за відомою величиною атмосферного тиску [2], однак це неприпустимо для довготривалих донних станцій, де перенормування неможливе.
Такого недоліку позбавлені промислові ФД фірми Aanderaa, проте вони, як було зазначено вище, непридатні для зондування через великий постійної часу.
Розглянуті датчики визначають парціальний тиск кисню за величиною вимірюваного зсуву фази електричних сигналів, що виникають на виході фотоприймачів при опроміненні киснево-чутливої люмінофорної плівки датчика амплітудно-модульованим інтенсивністю світловим випромінюванням від УФ світлодіода.
Однак у ФД досі не використовувалися теоретично відомі, але не втілені в практику потенційні можливості індукованої люмінесценції. Це значне (на порядок) підвищення чутливості датчика до вимірюваного парціального тиску при оптимальному виборі частоти амплітудної модуляції інтенсивності світлового потоку, що опромінює, від УФ-світлодіода в залежності від величини цього парціального тиску - концентрації кисню (заздалегідь невідомого). Внаслідок цього, здавалося б, нерозв'язної логічної суперечності, зсув фази в існуючих фазолюмінесцентних датчиках в даний час вимірюється на фіксованій частоті (
500 Гц) з усіма наслідками для його чутливості.
У розробленому нами адаптивному цифровому датчику оптимальна частота амплітудної модуляції автоматично безперервно підлаштовується під заздалегідь невідомий парціальний тиск - концентрацію кисню, у результаті досягається максимальна чутливість датчика в усьому діапазоні вимірюваних величин парціального тиску. Цей результат у своючерга досягається за рахунок розробленого нами алгоритму цифрового автоналаштування та безперервного автопідстроювання оптимальної частоти амплітудної модуляції (алгоритм та його схемотехнічна реалізація тут не розкриваються). Це призводить згідно з теорією індукованої люмінесценції до підвищення чутливості не менше ніж у п'ять разів у порівнянні з промисловим ФД, що працює на фіксованій частоті (
При цьому величина парціального тиску визначається не за складною нелінійною залежністю цього параметра від зсуву фази, а за строго лінійною залежністю.
Світлозахисний шар Чутливий шар
Оптична схема ФД концентрації розчиненого кисню
симости парціального тиску від величини оптимальної частоти, що є безпосередньо вимірюваною величиною на відміну стандартних ФД.
Теоретично отримана наступна формула для вимірювання парціального тиску кисню за величиною автоматично встановлюваної оптимальної частоти Л амплітудної модуляції інтенсивності світлового потоку від УФ світлодіода:
Тут Л = 2180 Гц - оптимальна частота при р = 0, С = 9,42 атм-1.
Точні значення Л і С визначалися експериментально: Л - при парціальному тиску кисню р = 0, тобто практично при максимальному відкачуванні форвакуумним насосом повітря з повітряної камери, в якій знаходився датчик, а величина - з формули (1) при відомих значеннях /¡, Л = 2180 Гц та р = 1 атм.
Загальна принципова оптоелектронна схема адаптивного ФД збігається з описаною в [2] оптоелектронною схемою ФД ІО РАН (див. малюнок), з тією різницею, що у ФД (ІО РАН) на виході фотодіодів вимірюється амплітуда, у ФД (Да^егаа) - Фаза, а в розробленому інтелектуальному ФД - оптимальна частота вищевказаної амплітудної модуляції.
Тимчасовий рядзначень безпосередньо виміряної оптимальної частоти модуляції індукованої люмінесценції та парціального тиску за умовного вакууму
Параметр Значення по 16 точках /ср af Sf
f, Гц 2176 2193 2193 2171 2168 2175 2183 2180 2165 2192 2177 2173 2180 2191 2184 2175 2180 8,99 2,2
Pатм 0,0042 0,0041 0,0041 0,0041 0,0041 0,0041 0,0042 0,0041 0,0042 0,0041 0,0042 0,0041 0,0042 0,0 0041 0,00005 0,00001
Таблиця 2 Тимчасовий ряд значень безпосередньо виміряної оптимальної частоти модуляції індукованої люмінесценції та парціального тиску при атмосферному тиску 745 мм рт. ст.
Параметр Значення по 16 точках fop °f Sf
fi, Гц 22356 22277 22349 22229 22327 22316 22303 22349 22301 22362 22295 22358 22288 22327 22275 23
P1, атм 0,983 0,979 0,982 0,979 0,981 0,980 0,980 0,982 0,980 0,983 0,980 0,983 0,979 0,981 0,900 0 4
У табл. 1, 2 наведено результати лабораторних досліджень техніко-метрологічних характеристик розробленого інтелектуального датчика.
У таблицях /СР і РСР - середні значення частоти Л і парціального тиску р по 16 точках п. Кожне з цих значень записано в таблицях у два рядки. Тут а – середньоквадратична похибка ряду вимірів, £ = 8/4П – середньоквадратична похибка результату виміру (середнього). Як очевидно з табл. 1 для парціального тиску остання значна цифра Рср = 1-10
Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин. Вартість однієї статті -150 рублів.