Параметрический анализ информационно-измерительной системы измерения величин массопереноса в сплошных средах

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИН МАССОПЕРЕНОСА В СПЛОШНЫХ СРЕДАХ

З.Г. Симоненко

Данная работа посвящена вопросам параметрического анализа сложных информационно-измерительных систем (ИИС) измерения величин массопереноса в сплошных средах для решения задачи информационной и системной интеграции процесса автоматизированного проектирования при моделировании ИИС.

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. При интенсивным внедрении вычислительной техники (ВТ) приоритетное направление получают методы автоматизированного проектирования (АП) на базе новых информационных технологий (ИТ).

АП включает в себя два основных направления - построение общей теории проектирования сложных систем и объектов и разработку систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе ВТ [1] - содержащие широкий спектр теоретических и прикладных работ, связанных как с разработкой вопросов теории АП, так и ориентированных на заданные классы и типы объектов.

Наиболее актуальным в АП являются вопросы интеграции автоматизированных систем (АС), используемых на различных этапах жизненного цикла изделий (ЖЦИ). Эта тенденция, называемая СЛЬБ-технологией, представлена множеством моделей и методов, вариантов программного обеспечения (ПО), международных и национальных стандартов.

Для методологического обоснования базовыми являются:

1) методология создания САПР АС, которая основывается на том, что качество производства любой АС определяется качеством и согласованным взаимодействием проектной, технологической и производственной сред ее реализации. Это требует увязки жизненных циклов разнородных объектов, например, АС и ее компонентов, организационных и других элементов;

2) структура абстрактной задачи АС, которая является минимальной понятийной конструкцией, позволяющей представлять любые процессы АС с необходимой степенью детализации путем насыщения компонент задачи различными объектами.

В рамках методологии проектирования интегрированных автоматизированных информационно-измерительных систем в данной работе рассматривается метод концептуального моделирования, применяемый для выявления методологических, теоретических и практических оснований, определения структуры и состава концептуальных представлений, выявления закономерностей формирования концептуальных моделей и их интеграции [2].

Представление концептуальных моделей включает в себя концептуальные представления предметных задач (КППЗ), определяющих строение системы знаний для конкретных предметных областей и включающих концептуальные модели объектного и конкретного уровней абстрагирования, связанные между собой покомпонентно статическими и динамическими составляющими.

Информационно-измерительные системы (ИИС) измерения величин массоперено-са в сплошных средах, в которых реализуются присущие им специфические процедуры получения и преобразования измерительной информации с заданной и гарантированной

точностью, сопоставления сигналов измерительной информации с размерами общепринятых единиц измерения, сложны и дороги. Это требует перехода от проектирования большого числа новых моделей для различных целей исследования к возможности их отображения с помощью одной модели [3].

Конкретное содержание процесса проектной разработки, обусловленное этими представлениями, включает в себя создание концептуальной модели комплекса для изучения нетрансляционного переноса масс в анизотропных средах. Эта многоступенчатая задача последовательного нахождения оптимального решения решается путем синтеза типовых, унифицированных, готовых и апробированных деталей и блоков деталей, блоков и вариантов, стандартизации и конструкторско-технологической унификации вариантов сложной информационно-измерительной системы (ИИС), включающих в себя классификацию объектов по конструктивно-параметрическим признакам, выбор конструкции базового изделия по данному классу систем, установления единого конструктивно-параметрического решения для этих объектов.

При реализации информационной и системной интеграции процесса автоматизированного проектирования (АП) для данного класса ИИС проведен параметрический анализ с различным уровнем детализации и особенностями структурно-функциональной организации процесса измерения параметров массопереноса.

Основная часть

В качестве анализируемой выберем разработанную модель ИИС [4] для измерения параметров массопереноса (или диффузии) в жидкой бинарной среде с границей раздела, основанную на использовании оптических методов поляризационной интерферометрии и лазерной нуль-эллипсометрии [5].

Схема одноканального лазерного эллипсометрического диффузиометра представлена на рис. 1. Пучок света от источника излучения 1, поляризованный линейным поляризатором 2 - полуволновой пластиной (Х/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 сопря-

^ ЧУ /Л

жены 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, опять сводят два пучка в один и пропускают через непод-

вижно установленный анализатор 8, непрерывно выделяя синусную составляющую 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 либо в графическом виде. Экспериментальная полученная кривая скорости массопереноса дает адекватное представление о феноменологии процесса, протекающего в реальном масштабе времени [6].

Для устранения ряда систематических аппаратурных погрешностей была разработана вторая модель двухканального лазерного поляризационного прибора [7] 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 Л/2), 5 и 9 - дву-лучепреломляющие пластины из исландского шпата, 6 и 8 - четвертьволновая пластина (Л/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 а. После диска 10 формируются четыре оптических световых сигнала, сдвинутых друг относительно друга по пространственной фазе на 90°.

Эти четыре сигналы 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 [8], с помощью которой реализован один из наиболее чувствительных методов получения эллиптически поляризованного излучения. 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 вза-

имно 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) полностью нарушается рассматриваемая принципиальная схема.

Рис. 3. Принципиальная схема измерительного блока ИИС

Анализ представленных схем позволяет сделать следующие выводы.

1. Имеется модель ИИС с экспериментально измеренными параметрами массоперено-са бинарной жидкой среды с границей раздела, которая для достоверности параметров последующих проектируемых моделей выбирается в качестве базовой с экспериментально апробированными начальными и граничными условиями задачи массопереноса сплошной среды.

2. Одноканальная схема позволяет непрерывно исследовать параметры массопереноса 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 и предназначенный для работы с двумя каналами - рабочим и опорным.

Модуль А

Модуль В, представленный на рисунке 5, содержит искомый модуль А, который введен в разрабатываемую схему с 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

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 Б

Рис. 7. Модуль й 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

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 рисунке 4, и включает в себя источник излучения - лазерный источник излучения, конструктивно - измерительный модуль, и информационно-управляющий модуль.

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

сполнительныи и конструктивный одули А,В,С,

Информационно-управляющий модуль Е

Рис. 9. Функциональная схема ИИС

Модель информационно-измерительной системы представлена на рис. 10. Разработанный вариант схемы ИИС содержит следующие элементы: 1 - источник излучения, 2 и 3 - светоделительные элементы (полупрозрачные зеркала), 4 - поляризатор (полуволновая пластина Л/2), 5 и 9 - двулучепреломляющие пластины из исландского шпата, 6 и 8 - четвертьчетвертьволновая пластина (Л/4), 7 - кювета диффузионная, 10 - третья четвертьволновая пластина (Л/4), 11 - полуволновая пластина (Л/2), 12 - компенсатор Сенармона, 13 - фотодиод, 14 - аналого-цифровой преобразователь, 15 - блок управления , 16 - блок оперативной памяти, 17 - таймер, 18 - процессор, 19 - ЦПУ (цифропе-чатающее устройство), 20 - самописец.

Рис. 10. Разработанный вариант схемы ИИС

Созданная с помощью модульного проектирования третья модель 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 [9].

Заключение

В результате проведенного параметрического анализа рассмотрены вопросы интеграции проектирования концептуальной модели ИИС для измерения параметров нетрансляционного переноса масс в сплошных средах, создана обобщенная функциональная модель информационно-измерительной системы для измерения и контроля величин массопереноса в жидкой бинарной среде с границей раздела.

Проведение параметрического анализа с помощью метода модульного проектирования в данной работе позволило разработать третий вариант модели ИИС для контроля параметров массопереноса, сформулированы интегративно-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. Норенков И.П.. Автоматизированное проектирование. М. Высшая школа, 2000.

2. Гатчин Ю.А, Коробейников А.Г., Немолочнов О.Ф, Падун Б.С. Информационные технологии в САПР. / Учебное пособие. СПб, 2003

3. Симоненко З.Г. Современные оптические методы исследования элементной базы электроники. / Диагностика и функциональный контроль качества оптических ма-териалов.СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С.124-129.

4. 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.

5. 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.

6. 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», посвященная 200-летию со дня рождения М.В. Остроградского. 24-28 сентября 2001г., С-Петербург.

7. 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.

8. Аззам Р, Башара Н.М, Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981. С. 44.

9. Симоненко З.Г. Лазерные поляризационные интерферометры для измерения параметров массопереноса в жидких бинарных средах с границей раздела../Автореферат дисс. к.т.н. СПб, 2000. 19 с.