Параметрический анализ информационно- измерительной системы для измерения параметров массопереноса в сплошных средах

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАССОПЕРЕНОСА В СПЛОШНЫХ СРЕДАХ

З.Г. Симоненко

Работа посвящена вопросам параметрического анализа сложных информационно-измерительных систем измерения величин массопереноса в сплошных средах при информационной и системной интеграции процесса автоматизированного проектирования для различных задач моделирования.

Введение

В настоящее время разработка и применение высокоточных быстродействующих комплексных методов и новых технических систем, ведущих к повышению информативности и обеспечивающих получение сведений о совокупности свойств экспериментального и модельного исследования, являются основной тенденцией развития приборостроения. Наиболее актуальными вопросами инженерной практики при проектировании технических систем остаются вопросы концептуально-теоретической необеспеченности этапов проектирования технических систем. Это связано с усложнением структуры, созданием комплексов средств измерений и с приобретением дополнительных свойств, выявляемых при использовании аппаратных и программных средств вычислительной техники.

Современные тенденции и возможности автоматизации проектирования технических систем находят выражение в интегративно-функциональных представлениях о системной организации [1]. Конкретное содержание процесса проектной разработки, обусловленное этими представлениями, включает в себя создание двух типов моделей - концептуальной и количественной, на каждой из которых осуществляется процедура параметрического анализа. Задачи нетрансляционного переноса масс в анизотропных средах решаются с помощью различных информационно-измерительных систем (ИИС), в которых реализуются присущие им специфические процедуры: получение и преобразование измерительной информации с заданной и гарантированной точностью, сопоставление сигналов измерительной информации с размерами общепринятых единиц измерения [2]. Но сложность и дороговизна таких систем требует перехода от проектирования большого числа новых моделей для различных целей исследования к возможности их отображения с помощью одной модели. Эта многоступенчатая задача последовательного нахождения оптимального решения выполняется путем синтеза типовых, унифицированных, готовых и апробированных деталей и блоков деталей, блоков и вариантов, стандартизации и конструкторско-технологической унификации сложной информационно-измерительной системы и включает в себя классификацию объектов по конструктивно-параметрическим признакам, выбор конструкции базового изделия по данному классу систем, установление единого конструктивно-параметрического решения для этих объектов.

Для реализации информационной и системной интеграции процесса автоматизированного проектирования в работе проведен параметрический анализ для этого класса ИИС с различным уровнем детализации и особенностями структурно-функциональной организации процесса измерения параметров массопереноса.

Основная часть

В качестве анализируемой выберем разработанную концептуальную модель ИИС [3] для измерения параметров массопереноса (или диффузии) в жидкой бинарной среде с границей раздела, основанную на. использовании оптических методов поляризационной интерферометрии и лазерной нуль-эллипсометрии [4].

Схема одноканального лазерного эллипсометрического диффузиометра представлена на рис. 1. Пучок света от источника излучения 1, поляризованный линейным поляризатором 2 - полуволновой пластиной (Я/2), разделяется при помощи первой двулу-чепреломляющей пластины из исландского шпата 3, установленного с азимутом 45° к плоскости поляризации полуволновой пластины 2, на два пучка.

Рис.1. Схема лазерного одноканального поляризационного прибора для измерения параметров массопереноса

Оба пучка, разведенных на величину двоения шпатом 3, проходят через рабочую кювету 5 и фазосдвигающие четвертьволновые пластины 4 и 6. Эти пластинки находятся в схеме до и после рабочей кюветы 5 и установлены так, что они оптически сопряжены с двулучепреломляющей пластиной 3 и линейным поляризатором 2; вторая пластина 6 установлена на вычитание по отношению к первой пластине 4. Затем второй двулучепреломляющей пластиной 7 (аналогично пластине 3), оптически сопряженной с линейным поляризатором 2, два пучка опять сводятся в один и пропускаются через неподвижно установленный анализатор 8, что приводит к непрерывному выделению синусной составляющей интенсивности излучения (анализатор установлен с азимутом 45° к плоскости поляризации поляризатора 2).

Регистрация моментов времени т производится с момента установления резкой границы раздела исследуемых сред. Пучок, прошедший через анализатор 8, разделяется светоделительным элементом 9 на два пучка, один из которых попадает на фотоприемник 10. С него световой оптический сигнал, преобразованный в электрический, попадает в информационно-управляющий модуль 11, результаты с которого получены в виде численных данных или в графическом виде. Экспериментальная кривая скорости мас-сопереноса дает адекватное представление о феноменологии процесса, протекающего в реальном масштабе времени [5].

Для устранения ряда систематических аппаратурных погрешностей была разработана вторая модель двухканального лазерного поляризационного прибора [6] с возможностью измерения мгновенных значений величин параметров массопереноса, представленная на рис. 2: Схема включает в себя: 1 - источник излучения, 2 и 3 - светодели-тельные элементы (зеркала), 4 - поляризатор (полуволновая пластина Я/2), 5 и 9 - дву-лучепреломляющие пластины из исландского шпата, 6 и 8 - четвертьволновая пластина (Я/4), 7 - рабочая кювета, 10 - механический прерыватель-синхронизатор, 11 и 12 - фотоприемники, 13 - информационно-измерительный модуль.

Работает устройство в оптической части так же, как и предыдущее, однако выделение интенсивностей здесь происходит при помощи четырех анализаторов, которые с диафрагмами установлены на диске механического прерывателя-синхронизатора 10, расположенного перед фотоприемником 11. При фиксированных азимутах поляризационных элементов 5, 6, 8, 9 диск механического прерывателя-синхронизатора 10 синхронно

вращается вокруг оси, параллельной оптической оси, с постоянной угловой скоростью ш. После диска 10 формируются четыре оптических световых сигнала, сдвинутых друг относительно друга по пространственной фазе на 90°. Эти четыре сигнала после диска 10 с механической модуляцией падают на рабочие поверхности фотоприемников 11 и 12, а выходные сигналы с них, преобразованные в электрические сигналы, соответственным образом попадают в информационно-измерительный модуль 13.

Рис. 2. Схема двухканального лазерного поляризационного прибора для измерения мгновенных значений величин массопереноса

Анализ параметров сравниваемых схем показывает, что в основе измерений лежит принципиальная схема с пластинками Тарди [7], с помощью которой реализован один из наиболее чувствительных методов получения эллиптически поляризованного излучения.

Рис. 3. Принципиальная схема измерительного блока ИИС

Пучок света в ней (рис. 3) преобразуется в линейно-поляризованный при помощи линейного поляризатора 1. Установленный за ним поляризационный элемент двоения 2 делит линейно-поляризованный пучок на два плоско-поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Элемент 2 устанавливают так, чтобы интенсивности обоих пучков были равны. На пути обоих пучков за элементом 2 устанавливают кювету 4 с исследуемыми жидкостями. Оба пучка, разделенные элементом 2 на величину двоения поляризационного элемента 2, распространяются параллельно границе раздела двух исследуемых сред, которые по мере прохождения пучков через диффундирующий слой приобретают на пути к разность фаз 5. Сведение элементов производится с помощью элемента двоения 6, который оптически сопряжен с элементом двоения 2. В анализируемой схеме имеется две четвертьволновые пластинки 3 и 5 (АА4), установленные до и после кюветы 4. В отсутствие в схеме пластинок (АА4) и полностью нарушается рассматриваемая принципиальная схема.

Анализ представленных схем позволяет сделать следующие выводы.

1. Имеется модель ИИС с экспериментально измеренными параметрами массопе-реноса бинарной жидкой среды с границей раздела, которая для достоверности параметров последующих проектируемых моделей выбирается в качестве базовой, с экспе-

риментально апробированными начальными и граничными условиями задачи массопе-реноса сплошной среды.

2. Одноканальная схема позволяет непрерывно исследовать параметры массопе-реноса в реальном масштабе времени, двухканальная схема позволяет получать мгновенные значения параметров массопереноса.

3. В качестве типового измерительного блока выбрана принципиальная схема с пластинами Тарди или блок Тарди с диффузионной кюветой подслаивания.

Широко применяемый и успешно используемый в данной работе метод модульного проектирования позволяет представить с помощью параметрического анализа описанных приборов-аналогов проектируемые модифицированные части новой модели ИИС.

В качестве модуля А выбран модуль, содержащий светоделительные элементы 1 и 2 (см. рис. 2) с блоком Тарди и диффузионную кювету подслаивания, предназначенный для работы с двумя каналами - рабочим и опорным.

Модуль А

Модуль В, представленный на рис. 5, содержит искомый модуль А, который введен в разрабатываемую схему со светоделительными элементами 1 и 2, а также поляризационными элементами 3, 4 и 6 (см. рис. 3).

Модуль В

Рис. 5. Модуль В функциональной схемы ИИС

Модуль С, представленный на рис. 6, включает в себя модуль А и модуль В.

Модуль С

Модуль А Модуль В

Рис. 6. Модуль С функциональной схемы ИИС.

Модуль Б содержит для всех рассмотренных вариантов ИИС фотоприемник ФП, блок таймера Т и блок управления БУ (рис. 7).

Модуль Р

Рис. 7. Модуль Р функциональной схемы ИИС

Модуль Е представляет собой информационно-управляющий модуль и содержит вычислительное устройство ВУ, аналого-цифровой преобразователь АЦП, оперативный блок запоминания вычислительного устройства БЗ ВУ, блок цифропечатающего устройства ЦПУ, графопостроитель ГП (рис. 8).

Модуль Е

АЦП ВУ БЗ ВУ

ЦПУ ГП

Рис. 8. Модуль Е функциональной схемы ИИС

Разработанная с учетом интегративно-конструктивных представлений обобщенная функциональная схема ИИС неразрушающего контроля жидкой бинарной среды с границей раздела, после первого этапа анализа приборов- аналогов, представлена в наиболее общем виде на рис. 4 и включает в себя источник излучения - лазер, конструктивно-измерительный модуль и информационно-управляющий модуль.

Таким образом, обобщенная функциональная модель ИИС включает в себя модули А.В, С, Р и Е (рис. 9).

сполнительныи и конструктивный одули А,В,СД},]

Информационно-управляющий модуль Е

Рис. 9. Функциональная схема ИИС

Модель информационно- измерительной системы представлена на рис. 10.

Рис.10. Разработанный вариант схемы ИИС

Созданная с помощью модульного проектирования третья схема ИИС позволяет измерять величину разности фаз от разности углов поворота плоскостей поляризации в рабочем и опорном каналах. При этом за счет произведенного поворота с помощью поляризационного элемента 12 производится исключение дополнительной разности фаз, вносящей погрешность в измерение. Описание предложенного метода и созданной схемы приведено в работе [14].

Рассмотрение количественной модели для этой ИИС в работе [8] содержит физико-математическую модель, представляющую собой совокупность уравнений, формул, констант, логических условий, определяющих взаимосвязь параметров изучаемого процесса массопереноса. Трансцендентное уравнение используется для оценки корректности полученных экспериментальных данных и выполнение условия задачи в окрестностях значений переменных. Написана программа в среде разработки Microsoft Visual Studio.NET 2003 на языке программирования C++ с использованием сторонних компонент по объемному отображению графиков. Общая точность аппроксимированной функции составляет 3х10-7 при 100 итерациях с использованием чисел с плавающей запятой двойной точности. Создана программа, которая на основе 6 заданных параметров способна наглядно отображать график и интерактивно изменять параметры интерполяции переменных для немедленного варьирования и отображения результата.

Математическое описание и программа расчета для модулей А, В и С сложных поляризационных фильтров приведены в работе [9], линейного фазосдвигающего устройства - в работе [10], линейной двулучепреломляющей пластинки - в работе [11], линейной дихроичной пластинки - в работе [12], оценка поляризационных параметров преломляющей и отражающей среды - в работе [13]. В результате количественного моделирования концептуальные представления о ресурсах управления системой разворачиваются во взаимосвязанную совокупность приборов и конструкций, представляющих устройство сложной технической системы.

Заключение

В результате проведенного параметрического анализа решены вопросы интеграции проектирования концептуальной модели рассматриваемой ИИС, создана обобщенная функциональная модель информационно-измерительной системы для измерения и контроля величин массопереноса в жидкой бинарной среде с границей раздела.

Концептуальная модель ИИС позволяет разработать количественную модель, куда входят перечисленные математические описания и программы расчета для анализа параметров рассматриваемых блоков или элементов ИИС, а также для анализа процесса измерения процесса нетрансляционного переноса.

С помощью параметрического анализа в работе представлен разработанный вариант модели ИИС для контроля параметров массопереноса, сформулированы интегра-тивно-функциональные представления для автоматизации проектирования искомой унифицированной ИИС со значительным удешевлением ее реализации, столь необходимые для решения задач мониторинга параметров массопереноса сплошных сред.

Литература

1. Бахур А.Б. Системные идеи в современной инженерной практике (интегративно-функциональный подход). М.: Пров-пресс, 2000.

2. Норенков И.П.. Автоматизированное проектирование. М. Высшая школа, 2000.

3. Симоненко З.Г., Шмуйлович Г.А., Равдель А.А., Порай-Кошиц А.Б. Способ определения коэффициента молекулярной диффузии в жидкостях и устройство для его реализации. / Авторское свидетельство СССР № 976307. Бюллетень ОИ ПОТЗ, 1985.

4. Симоненко З.Г., Исследование параметров скорости массопереноса в жидких бинарных системах с границей раздела. / Материалы IV Международной научной конференции «Проблемы пространства, времени и движения». СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2000. С. 22.

5. Симоненко З.Г Плотников В.В., Ильина Л.П., Федоров В.Н., Мануйлов К.В. Теорема Остроградского и решение параболических уравнений. / Научная конференция «Петербургская математическая школа в период XIX века». СПб, 24-28 сентября 2001.

6. Симоненко З.Г., Порай-Кошиц А.Б., Москалев В.А. Способ определения коэффициента молекулярной диффузии в жидкостях и устройство для его реализации. / Авторское свидетельство СССР № 1349452. Бюллетень ОИ ПОТЗ, 1987. № 45. С. 218.

7. Аззам Р, Башара Н.М, Эллипсометрия и поляризованный свет М.: Мир, 1981.

8. Симоненко З.Г., Уваров Д.Л. Программа расчета параметров массопереноса в жидкой бинарной среде с границей раздела. / Материалы межвузовской научно-технической конференции. 24-29 ноября 2005 г. СПб: Издательство СПБГТУ, 2004. С.61.

9. Симоненко З.Г., Лобанов В.А. Расчет интерференционно-поляризационного светофильтра. / В сб. «Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов». СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 192-198.

10. Симоненко З.Г., Бандура А.С. Расчет линейного фазосдвигающего устройства. / В сб. «Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов». СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 199-204.

11. Симоненко З.Г., Скобелин А. А. Расчет линейной двулучепреломляющей пластинки. / В сб. «Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов». СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 205-211.

12. Симоненко З.Г., Антипин Д.А. Расчет линейной дихроичной пластинки. / В сб. «Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов». СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 219-229.

13. Симоненко З.Г., Ваняев В.Н.. Расчет оптических параметров отражающей среды методами эллипсометрии. / В сб. «Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов». СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 212-218.

14. Симоненко З.Г., Ткалич В.Л. Разработка информационно-измерительной системы неразрушающего контроля параметров массопереноса в жидкой бинарной среде с границей раздела. / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 120 с.