Волоконный оптико-электронный датчик давления информационно-измерительной системы мониторинга Северного Ледовитого океана

Рисунок 3

По этой причине в состав комплекса должна входить термокамера ТК, поддерживающая в рабочем объеме нормальную температуру, например, +20°С. Особенности технологии производства, а также конструкции прецизионных резисторов позволяют сформулировать ряд требований к УЗ и УРИ. УЗ должно быть выполнено в виде сменных кассет. Резисторы должны загружаться в кассету оператором

вручную. Результаты измерений целесообразно выводить в виде электронной таблицы Excel или распечатанного на бумаге протокола.

ИП и ТК определяют, в основном, метрологические характеристики комплекса. Поэтому к выбору данных приборов необходимо подходить более тщательно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Доросинский, А. Ю. Системы контроля параметров прецизионных резисторов / А. Ю. Доросинский, В.И. Андреев, Ю.В. Варламов // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 2. - С. 71-75.

2. Доросинский А.Ю. Информационно-измерительная система контроля параметров переменных резисторов / А.Ю. Доросинский, В.Г. Недорезов // Надежность и качество сложных систем. - 2015. - №1 (9).

- С. 91-96.

3. Березин М.Н. Автоматизированная установка для измерения относительного отклонения сопротивления и температурного коэффициента сопротивления/ Березин М.Н., Доросинский А.Ю. // Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов. Труды международной научно-технической конференции. - 2007.

- С. 226-230.

УДК 618

Чукарева М.М., Бадеева Е.А., Славкин И.Е., Дудоров Е.А.

ФГБОУ ВО « Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ВОЛОКОННЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА

В последние годы активно ведутся исследования вод и глубин Мирового океана на предмет экологической обстановки. Наиболее интенсивно набирают обороты в мониторинге и контроле состояния вод Северного ледовитого океана (СЛО). Фиксируются изменения значения показателя средней температуры всей Земле, что приводит к необратимым изменениям и в самой холодной части Мирового океана, например, таянье ледников. К сожалению, контроль за данным процессом усложняется из-за влияния на датчиковую аппаратуру низких температур. Необходима разработка принципиально новых устройств, которые удовлетворяли бы всем требованиям предъявляемым к устройствам, применяемым в экстремальных условиях эксплуатации. Авторы данной статьи предлагают новую концепцию создания волоконного оптико-электронного датчика давления (ВОЭДД) с повышенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками

Ключевые слова:

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, ВОЛОКОННЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК, ДАВЛЕНИЕ, НИЗКАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Основанием к написанию данной статьи послужила необходимость повышения точности результатов измерений физических величин в условиях воздействия низких температур. Так исследования вод и глубин СЛО на предмет экологической обстановки и сейсмоактивности представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное социально-экономическое значение и позволяющую судить о современном состоянии и дальнейшем развитии глобальной климатической системы всей планеты. Сложные информационно-измерительные системы для исследования СЛО состоят из множества датчиков, подразумевающих возможность измерения большого количества различных физических величин: температура, скорость потока, соленость (электропроводность) морской воды, наиболее важным показателем является давление. Однако все устройства, входящие в состав ИИС, объединяет одна серьезная проблема: сильное влияние низких температур.

Так точное измерение физических величин в сложных климатических условиях СЛО затруднено из-за:

- образования ледяной корки на поверхности чувствительных элементов датчиков;

- изменения мощности и смещения спектральной характеристики полупроводниковых излучающих и приемных устройств (свето- и фотодиодов);

- нелинейных процессов в оптической системе оптоэлектронных датчиков (ОЭД) или волоконно-оптических датчиков (ВОД).

Для современных информационно-измерительных систем (ИИС) характерны следующие требования перед датчиковой аппаратурой: улучшенные метрологические и эксплуатационные характеристики, большой срок эксплуатации, малые массо-, габаритные параметры, низкое электропотребление, механическая прочность, безаварийность и т.д. Все эти требования должны быть максимально удовлетворены, как в случае проведения измерений в нормальных условиях, так и при испытаниях в жестких эксплуатационных условиях. Поэтому ИИС нового поколения на отечественных инженерно-технических объектах, занимающиеся исследованием СЛО в сложных условиях, требуют разработки и совершенствования технологических процессов и процедур изготовления датчиков и систем на основе их.

Решение данной проблемы лежит на пути создания новых ИИС на базе высокопрочных волоконных

оптико-электронных средств измерения давления, функционирующих с высокой точностью. Предлагается новая концепция создания ВОЭД с повышенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками.

Авторы статьи решают устранить недостатки возникающие в ОЭД и ВОД, объединив достоинства каждого из типов датчиков по отдельности [1-3] . Предлагается совмещение в пространстве единого

датчика двух блоков волоконно-оптического и оптоэлектронного, реализующих соответственно волоконно-оптический и оптоэлектронный принципы действия.

На рисунке 1 представлена структурная схема разрабатываемого волоконного оптико-электронного датчика давления (ВОЭДД), который работает следующим образом.

Г-генератор, ИИ-источник излучения, ПОВ1,ПОВ2- подводящие оптические волокна, ЦЧ- центральная часть мембраны, ПЧ-периферийная часть мембраны; ООВ1,ООВ2 - отводящие оптические волокна, ПИк-компенсационный приемник излучения, ПИр- рабочий приемник излучения, МП1,МП2- масштабирующие преобразователи, ФЦ- фазосдвигающая цепь, МК- масштабирующий контур, сумматор, ФД- фазовый

детектор, БПИ- блок преобразования информации Рисунок 1 - Структурная схема ВОЭДД

Часть светового потока ИИ Ф1, модулируемого синусоидальным напряжением Пп низкой частоты генератора (Г), по подводящему оптическому волокну (ПОВ2) измерительного канала подается в зону измерения. Измеряемое давление Р, действуя на мембрану, прогибает ее центральную часть и соответственно, смещает аттенюатор, жестко на ней закрепленный, а периферийная часть мембраны у защемления остается неподвижной. Аттенюатор представляет собой пластину с круглым отверстием, перемещающимся относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ1 и приемного торца отводящего оптического волокна ООВ1 измерительного канала. При перемещении аттенюатора вдоль продольной оси ВОЭДД изменяется интенсивность светового потока Ф1, поступающего от ИИ по ПОВ1 через отверстие в аттенюаторе по ООВ1 на ПИр измерительного канала, соответственно происходит преобразование оптического сигнала Ф^ Ф1"(Р).

Другая часть оптического излучения Ф2, также промодулированного синусоидальным напряжением ип низкой частоты генератора (Г), по (ПОВ1) компенсационного канала подается на зеркальную поверхность периферийной части мембраны. При этом смещение периферийной части мембраны, где воздействие давления очень мало принимается равным Хо=сопз"Ь. Соответственно световой поток Фо(Хо)=сопб1 поступает на ООВ1 компенсационного канала. Таким образом происходит преобразование оптического сигнала Ф2^ Ф2''(Хо).

По ООВ1 и ООВ2 световые потоки и направляются соответственно на ПИр и ПИк. ПИр и ПИк преобразуют оптические сигналы Ф1М(Р) и Фо''(Хо) в сигналы Пр и Пк, которые далее поступают на масштабирующий преобразователь (МП) МП1 и МП2 соответственно. Сигнал компенсационного канала Пк' с МП2 направляются на фазосдвигающую цепь (ФЦ). ФЦ предназначена для сдвига фазы сигнала Пк'. За счет разнополярного питания ПИр и ПИк сигнал Пк'сдвинут относительно сигнала Пр' на угол 180°.

Путем подбора элементов ФЦ создается сдвиг фаз 90 0 < фо< 180

Затем сигналы с измерительного канала Пр' и компенсационного канала Пк'' поступают на сумматор 2, где происходит их геометрическое суммирование (рисунок 2).

После чего сигнал с сумматора ПЕ(Р) и сигнал с ФЦ компенсационного канала Пк'' поступают на блок фазового детектора (ФД), откуда далее поступают на блок преобразования информации (БПИ).

Для снижения большинства погрешностей ВОЭДД предложено внести в его конструкцию компенсационный канал [4]. На рисунке 2 представлена упрощенная конструктивная схема разрабатываемого ВО-ЭДД с компенсационным каналом.

Световые потоки Ф1 и Ф2 от одного и того же источника излучения ИИ по подводящим оптическим волокнам ПОВ1 и ПОВ2 направляются к центральной и периферийной части мембраны соответственно.

Под действием измеряемого давления Р мембрана прогибается на величину И. При этом центральная часть мембраны из начального положения Хо плоско-параллельно смещается на величину Х1, таким образом по ООВ1 на ПИр поступает световой поток Ф1(Р). Смещение периферийной части мембраны принимается равным Хо=оопбЬ, ввиду очень малого воздействия измеряемого давления на мембрану в месте защемления и по ООВ2 на ПИк поступает соответственно световой поток Ф2(Хо).

Воздействие различных внешних влияющих факторов, например, изменение температуры окружающей среды, воздействие вибрации приводит к изменению таких геометрических параметров чувствительного элемента (мембраны) как толщина, радиус, кроме того меняются и упругие свойства материала мембраны.

Введение в конструкцию дополнительного компенсационного канала позволяет, значительно снизить погрешности вызванные данными факторами, так как все изменения происходят в двух каналах одновременно и с одинаковой интенсивностью.

центральная часть

ИИ- источник излучения; ПОВ1,ПОВ2 - подводящие оптические волокна; ЦЧ мембраны, ПЧ- периферийная часть мембраны, ООВ1,ООВ2 - отводящие оптические волокна; ПИр-приемник излучения рабочего канала, ПИк- приемник излучения компенсационного канала Рисунок 2 - Упрощенная конструктивная схема ВОЭДД с компенсационным каналом

В основе рассматриваемого ВОЭДД лежит амплитудно-фазовый способ преобразования сигналов, основанный на том, что световой поток от одного и того же источника излучения делится на два потока, которые далее соответственно поступают

на приемники излучения рабочего и компенсационного каналов. Для лучшего понимания сути амплитудно-фазового преобразования сигналов приведена векторная диаграмма сигналов в ВОДД [5].

Щр(Р), Ц2р(Р) - сигналы рабочего канала; Цк-сигнал компенсационного канала; Це(Р)1, и^(Р)2 -суммарные сигналы рабочего и компенсационного канала; ф0- угол между выходными сигналами Цр и Цк; ф1,ф2- фазы суммарных сигналов ЦЕ(Р)1и Ц^(Р)2 соответственно Рисунок 2 - Векторная диаграмма сигналов ВОЭДД при амплитудно-фазовом преобразовании сигналов

Использование амплитудно-фазового способа преобразования сигналов в разрабатываемом ВОЭДД дает возможность повысить чувствительность преобразования оптических сигналов, снизить погрешности от изменения мощности излучения ИИ, обусловленного изменением температуры окружающей среды, колебаний параметров питающего напряжения, временной нестабильности параметров ИИ, а также изменением чувствительности ПИ. Кроме того, позволяет получить наиболее линейную функцию преобразования выходного сигнала датчика.

Применяемый в работе научный подход, когда в едином корпусе датчика объединены волоконно-оптический и оптоэлектронный блок, реализующие ам-

плитудно-фазовое преобразование оптических сигналов измерительного и компенсационного каналов, позволяет получить точные и надежные средства измерения, обладающие рядом преимуществ: высокая чувствительность преобразования; низкая погрешность нелинейности; низкая температурная погрешность; малые массогабаритные параметры.

Таким образом, ИИС в состав которых входят ВОЭДД удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к изделиям для мониторинга вод и глубин СЛО на предмет сейсмоактивности и контроля экологической обстановки.

При финансовой поддержке РФФИ в форме гранта № 18-38-00196

ЛИТЕРАТУРА

1 Волоконно-оптический датчик гидростатического давления для резервуаров с нефтепродуктами /Му-рашкина Т.И., Савочкина М.М. //Надежность и качество - 2016: Статьи Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. — Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2016. - 2 том - 387 с.- С.349-351.

2 Разработка дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления для первого контура атомного реактора / М. М. Савочкина, Т. И. Мурашкина // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 140-145.

3 An optoelectronic fuel level sensor/ T. I. Murashkina, E. A. Badeeva, A. V. Badeev, M.M. Savochkina/ Journal of Physics: Conference Series(JPCS) (2017) Volume 803, №1, p.012103.

4 Новый способ компенсационного преобразования сигналов в ВОДД отражательного типа / Е. А. Бадеева // Университетское образование (МК0У-2016) : сб. ст. XX Междунар. науч.-метод, конф. / под ред. А. Д. Гулякова, Р. М. Печерской. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. - С. 124-126.

5 Обоснование возможности амплитудно-фазового преобразования сигналов в волоконно-оптических датчиках давления/ Чукарева М.М., Бадеева Е.А.. Мотин А.В., Славкин И.Е., Мурашкина Т.И., Истомина Т.В., Истомин В.В.// Ежемесячный научно-технический, производственный и справочный журнал «Приборы» 2017, №11(209), 55стр., стр.11-15.

УДК 004.67

Николаев1 А.В., Прокофьев1 О.В., Тюрин2 М.В., Токарев2 А.Н.

1АО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (НИИФИ), Пенза, Россия

2ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет», Пенза, Россия БОЛЬШИЕ ДАННЫЕ ДЛЯ НОВОГО КАЧЕСТВЕННОГО УРОВНЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

В статье раскрыта актуальность внедрения инновационных технологий, таких как Большие данные и системы моделирования жизнедеятельности элементов энергосистемы. Показаны преимущества интеллектуальных энергосетей, используемые для достижения нового качественного уровня энергетической отрасли. Сформулированы требования к концепции цифровой энергетики как части цифровой экономики страны

Ключевые слова:

БОЛЬШИЕ ДАННЫЕ, ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭНЕРГОСЕТИ, ЦИФРОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Сегодняшняя скорость развития цифровой экономики феноменальна и этот темп изменений отражается в электроэнергетике: быстрое развитие информационных технологий позволяет все больше усложнять работу электроэнергетических установок. Большие данные, Интернет вещей, беспроводные сети и облачные вычисления все чаще делают о себе знать [1, 2]. Большие данные - это термин, обозначающий множество наборов данных столь объемных и сложных, что делает невозможным применение имеющихся традиционных инструментов управления базами данных и приложений для их обработки. Проблему представляют сбор, очистка, хранение, поиск, доступ, передача, анализ и визуализация таких наборов как целостной сущности, а не локальных фрагментов. В качестве определяющих характеристик для больших данных отмечают «три V»: объём (англ. volume, в смысле величины физического объёма), скорость (англ. Velocity, означающее в данном контексте скорость прироста и необходимость высокоскоростной обработки и получения результатов), многообразие (англ. variety, в смысле возможности одновременной обработки различных типов структурированных и полуструктурированных данных) [1]. Ведущей характеристикой здесь является объем данных, который должен быть рассмотрен в аспекте приложений.

Увеличение вычислительной скорости и пропускной способности позволило собирать, анализировать и хранить все больший объем информации. Новые программные платформы используются для интерпретации данных и обратной информации, что позволяет оптимизировать операции и обслуживание. По мере того как скорость и изощренность аналитики в реальном времени увеличиваются, идеи могут быть быстро воплощены посредством процесса принятия решений.

Физический мир все чаще становится зависим от интернета, поскольку объекты, устройства и машины приобретают новые возможности цифрового интеллекта [1], а достижения в области связи означают, что объекты могут быть беспроводным образом интегрированы в информационные сети.

Применение больших данных в энергосистемах объединяет экспертов как из сферы энергетики, так и информационных технологий, которые разделяют их понимание и обсуждают новые предложения для анализа данных, диагностики, эксплуатации и управления энергосистемами. Недавние разработки в системах мониторинга и сенсорных сетей значительно увеличивают разнообразие, объем и скорость передачи данных измерений на уровне транс-

портировки и распределения электроэнергии. Появилась возможность быстрой модернизации систем мониторинга, повышения доступности данных измерений, реализации больших методов обработки данных и машинного обучения для обработки высокоразмерных и пространственно-временных данных.

За последние несколько лет наблюдается огромный рост использования беспроводных датчиков и приборов на электростанциях. Типичная теплоэлектроцентраль оснащена более чем 12 000 датчиков, которые измеряют и сообщают движение, вибрацию, температуру, влажность и химические изменения в воздухе и воде [2]. Но лишь часть этих данных анализируется, а именно количественно анализируется для повседневной эксплуатации и технического обслуживания электростанции. Благодаря использованию новых аналитических программных решений и услуг возможности использования этих данных и понимания информации для снижения издержек, увеличения продаж и повышения эффективности быстро растут. Большие данные генерируют наборы данных, которые экспоненциально растут как по сложности, так и по объему. Анализ, хранение и применение этих данных представляет собой серьезную проблему.

В настоящее время электроэнергетические системы в большинстве стран модернизируются и развиваются на основе концепции глубокой интеграции электроэнергетических сетей (Power Grid) и сетей компьютерных или как их называют инфокоммуника-ционных (Network). При этом оба вида сетей не просто развиваются и обогащаются новыми функциональными элементами и протоколами взаимодействия, а порождают глубокий синергетический эффект, связанный с невиданными ранее возможностями анализа состояния целой огромной энергосистемы в реальном времени, прогнозирования процессов в ней, интерактивного взаимодействия с клиентами и управления оборудованием. Такая концепция получила название Smart Grid - интеллектуальная энергосеть. Общую функционально-технологическую идеологию этой концепции, отражает сформулированное IEEE определение SmartGrid как концепции полностью интегрированной, саморегулирующейся и самовосстанавливающейся электроэнергетической системы, имеющей сетевую топологию и включающей в себя все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, управляемые единой сетью информационно-управляющих устройств и систем в режиме реального времени. Преодолев за последние годы период исследований и начального развития, эта концепция