Компенсатор температурной погрешности лазерно-интерференционного измерителя
COMPENSATOR OF TEMPERATURE ERROR OF LASER-INTERFERENCE METER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для повышения точности лазерно-интерференционных измерителей, применяемых в геофизике.
Известно, что основу лазерно-интерференционных измерителей различных геофизических параметров (деформаций земной коры, атмосферного давления и давления гидросферы) составляет интерферометр, использующий когерентный источник света (лазер), оптическую систему, расщепляющую лазерный луч на два луча - измерительный и опорный, а также система регистрации, которая преобразует интерференционную картину, возникающую при взаимодействии измерительного и опорного лучей в электрический сигнал, содержащий полезную информацию. Все перечисленные виды измерителей являются измерителями вариаций физических величин, абсолютное значение величины остается неизвестным, Геометрические размеры конструктивных элементов лазерно-интерференционного измерителя, из-за применения различных материалов с различными коэффициентами температурного расширения, зависят от температуры. В результате, при вариациях температуры окружающей среды, т.е при отклонениях температуры среды от температуры, имевшей место в момент начала работы, изменяется и температура конструктивных элементов, что, в свою очередь, ведет к неодинаковому изменению хода как опорного, так и измерительного лучей, что в итоге приводит к появлению в выходном сигнале компоненты, зависящей от вариаций температуры и вносящей погрешность в измеряемый параметр. При вариациях температуры окружающей среды температуры конструктивных элементов измерителя стремятся сравняться с температурой окружающей среды, однако процессы выравнивания температуры протекают с разными скоростями, определяемыми теплофизическими свойствами каждого конструктивного элемента. В результате, при вариациях температуры окружающей среды, конструктивные элементы будут иметь несколько различающиеся температуры.
Известно использование температурного зонда, соединенного с системой регистрации оптического измерителя давления, выполненного на основе интерферометра Майкельсона, для вычисления компенсирующих поправок к измеренному атмосферному давлению (п. РФ №45528 U1). Однако, в связи с тем, что конструктивные элементы, из которых собран измеритель давления, обладают определенной теплоемкостью, изменение их температуры несколько отстает по времени от изменений температуры окружающей среды, из-за чего, при изменениях этой температуры, появляется дополнительная погрешность измерений.
Известен термокомпенсатор для оптических измерителей давления, патент 188695 U1 (прототип), содержащий термодатчик с малой инерционностью, помещенный в корпус с регулируемой тепловой инерционностью за счет оснащения подвижным тепловым экраном с малой теплопроводностью. При этом достигается некоторое соответствие инерционных параметров оптического измерителя давления и термодатчика в корпусе, используемого для вычисления температурной компенсирующей поправки к показаниям оптического измерителя.
Однако в данном термокомпенсаторе не учтены следующие обстоятельства:
1). Оптический лазерно-интерференционный измеритель является сложной системой, состоящей из нескольких элементов различной массы и формы, изготовленных из различных материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Таким образом, каждый конструктивный элемент обладает как собственной тепловой инертностью, так и коэффициентом теплового расширения.
2). Некоторые из конструктивных элементов, например, при увеличении температуры, установлены таким образом, что, расширяясь под действием увеличения температуры, увеличивают разность хода лучей. При этом другие элементы установлены так, что, расширяясь при увеличении температуры, уменьшают разность хода лучей.
В результате оказывается невозможным точно вычислить компенсирующую температурную поправку, используя только одно значение температуры окружающей среды, получаемое термодатчиком, помещенным в корпус с регулируемой тепловой инертностью. Известный термокомпенсатор обеспечивает вычисление температурной поправки с погрешностью, обусловленной различными температурными коэффициентами и различной тепловой инертностью конструктивных элементов. Для увеличения точности вычисления температурной поправки следует знать мгновенное значение температуры каждого элемента, входящего в оптическую систему, а также учитывать степень влияния каждого элемента на разность хода лучей. Из-за различной формы, массы и материала конструктивных элементов оптической системы, при вариациях температуры, мгновенные значения температуры элементов не равны температуре окружающей среды, хотя и стремятся к ней по экспоненциальному закону с той или иной по величине постоянной времени.
Необходимо решить проблему создания термокомпенсатора для лазерно-интерференционных измерителей, выполненного с учетом различной степени влияния на длину хода лучей всех учитываемых конструктивных элементов при вариациях температуры окружающей среды.
Поставленная проблема решается благодаря тому, что, в отличие от прототипа, содержащего датчик температуры окружающей среды с регулируемой тепловой инертностью, заявляемый компенсатор температурной погрешности содержит датчик температуры, подключенный к n - каналам вариаций температуры, обеспечивающих определение значения вариации температуры i - элемента конструкции (где i изменяется от 1 до n), соединенных с входами n - каналов температурной поправки, при этом каждый из n - каналов вариаций температуры моделирует динамику теплообмена i - элемента конструкции с окружающей средой и состоит из последовательно соединенных основного сумматора, перемножителя и интегратора. Основной сумматор, подключенный первым входом к датчику температуры, определяет разность между температурой окружающей среды и мгновенным значением температуры i - элемента конструкции, перемножитель определяет величину влияния теплового потока от окружающей среды к i-элементу конструкции посредством перемножения разности температур, полученной от основного сумматора, на коэффициент, определяющий тепловую инертность i - элемента конструкции, поступающий от задатчика коэффициента тепловой инертности i - элемента конструкции, а интегратор, интегрируя величину влияния теплового потока, получает искомую величину вариации температуры i - элемента конструкции. Для исключения переходного процесса и получения значения вариации температуры, каждый n - канал вариаций температуры содержит также задатчик начальной температуры и дополнительный сумматор, соединенные последовательно. Задатчик начальной температуры запоминает значение температуры окружающей среды в момент начала работы, получаемое от датчика температуры окружающей среды, и подает его на вход дополнительного сумматора, на второй вход которого подается значение вариации температуры полученное интегратором, а выходной сигнал дополнительного сумматора подается со знаком минус на второй вход основного сумматора. Полученные n значений вариаций температуры для n элементов конструкции поступают в блок температурной поправки, содержащий n перемножителей, выходы которых соединены с n входами многовходового алгебраического сумматора, на выходе которого образуется сигнал температурной поправки, передаваемый потребителю. На первые входы n - перемножителей блока температурной поправки поступают значения вариаций температуры из n - каналов вариаций температуры, а на их вторые входы из n - задатчиков блока температурной поправки поступают значения коэффициентов влияния, пропорциональных размерам и коэффициентам теплового расширения i - элементов конструкции, для которых найдены значения вариаций температуры. При этом, если i - элемент конструкции увеличивает ход луча, значение коэффициента влияния поступает на многовходовый алгебраический сумматор со знаком «плюс», в противном случае значение берется со знаком «минус».
o
На Фиг. 1 приведена схема одного n - канала вариаций температуры, где: 1 - датчик температуры окружающей среды; 2 - основной сумматор; 3 - задатчик величины 1/λ, (λ - коэффициент, определяющий тепловую инертность элемента конструкции); 4 - перемножитель; 5 - интегратор; 6 - дополнительный сумматор; 7 - задатчик начальной температуры (T); Т(τ) - мгновенное значение вариации температуры i - конструктивного элемента.
На Фиг. 2 приведена схема блока температурной поправки, где 8 - каналы вариаций температуры; 9 - задатчики коэффициентов влияния (k); 10 - перемножители; 11 - многовходовый алгебраический сумматор.
Каналы вариаций температуры (фиг. 1) предназначены для вычисления мгновенного значения вариации температуры каждого i - конструктивного элемента, влияние которого признано существенным. Получаемые в каналах вариаций температуры мгновенные значения вариаций температур конструктивных элементов используются затем в блоке температурной поправки (фиг. 2).
Каналы вариации температуры схемотехнически построены одинаково, но используют различные коэффициенты (λ), определяющие тепловую инертность, для различных конструктивных элементов. Количество (n) каналов вариации температуры определяется количеством конструктивных элементов, для которых будут определяться вариации температуры, это количество может быть меньше общего числа элементов, влияющих на разность хода, если влияние каких-либо элементов будет признано пренебрежимо малым, за счет, например, малого коэффициента температурного расширения или размера элемента. Каждый канал вариации температуры обеспечивает определение мгновенного значения вариации температуры отдельного конструктивного элемента, принимаемого в расчет при вычислении температурной поправки. Мгновенное значение корректирующей температурной поправка определяется в блоке температурной поправки согласно формуле
где U - значение температурной поправки; i - порядковый номер конструктивного элемента; k - коэффициент влияния, определенный для каждого i конструктивного элемента и пропорциональный размеру элемента и температурному коэффициенту расширения материала элемента, причем знак при k зависит от того, увеличивает или уменьшает ход лучей увеличение размеров элемента при повышении температуры.
t
Коэффициенты влияния могут быть определены как экспериментально, так и рассчитаны по формуле  где k - искомый коэффициент для рассматриваемого конструктивного элемента, k - коэффициент температурного расширения материала, из которого изготовлен рассматриваемый конструктивный элемент,  - размер рассматриваемого конструктивного элемента вдоль линии хода луча; Т - мгновенное значение вариации температуры i элемента, определяемое в блоках каналов вариации температуры. Следует напомнить, что вариация температуры есть разность между начальной и текущей температурой элемента.
Температура тела, помещенного в среду с температурой, не равной температуре тела, определяется, в зависимости от времени, с помощью выражения:
0
где θ - температура окружающей среды, Т - температура тела в момент времени τ, Т - начальная температура тела, τ - время, λ - коэффициент, определяющий тепловую инертность тела. Данное выражение, в свою очередь, есть решение дифференциального уравнения
Канал вариаций температуры осуществляют интегрирование дифференциального уравнения (3) для каждого конструктивного элемента, основываясь на сигнале датчика температуры окружающей среды.
Канал вариаций температуры, интегрируя дифференциальное уравнение (3), моделирует теплообмен конструктивного элемента с окружающей средой. При этом сигнал датчика температуры окружающей среды, равный температуре окружающей среды, поступает на сумматор 2, где из него вычитается расчетное значение температуры конструктивного элемента, при этом получают сигнал, равный разности температуры тела и окружающей среды. Данный разностный сигнал в умножителе 4 перемножается на величину 1/λ, определяемую задатчиком 3 величины 1/λ. Коэффициент λ определяется тепловой инертностью конструктивного элемента, пропорционален теплоемкости материала, из которого изготовлен конструктивный элемент и зависит от геометрии конструктивного элемента.
мкэ
кэ
ито
мкэ
кэ
ито
ито
0
Значения коэффициентов λ могут быть определены расчетным путем или экспериментально. Расчет коэффициентов λ ведется для каждого рассматриваемого конструктивного элемента по формуле λ=С*m*k, где С - удельная теплоемкость материала рассматриваемого конструктивного элемента, m - масса рассматриваемого конструктивного элемента, k - коэффициент интенсивности теплообмена рассматриваемого конструктивного элемента с окружающей средой, зависящий от формы элемента и таких, например, факторов, как состояние поверхности, значение этих коэффициентов содержатся в теплофизических справочниках. В связи со сложностью точного определения коэффициентов k, коэффициенты λ могут быть определены экспериментально. Для этого необходимо каждый рассматриваемый элемент, находящийся при температуре Т подвергнуть ступенчатому воздействию температуры, величиной θ, в термокамере и наблюдать за изменением температуры элемента Т в зависимости от времени, с целью зафиксировать в момент времени τ величину Т.
Решая уравнение (2) относительно τ/λ, получим выражение
0
τ/λ=-ln((Т-θ)/(Т-θ)),
0
из которого, зная величины Т, θ, Т и τ, получают значение λ для каждого рассматриваемого элемента.
Сигнал на выходе перемножителя 4 пропорционален скорости приращения температуры конструктивного элемента под действием разности температур конструктивного элемента и окружающей среды. Интегрирование данного сигнала интегратором 5 позволяет получить на выходе искомую величину - мгновенное значение вариации температуры конструктивного элемента Т(τ). При включении описываемого устройства, если не принять специальных мер, произойдет переходный процесс, т.к. сигнал на выходе интегратора 5 будет равен нулю и система смоделирует нагрев тела от нуля до текущей температуры. Для устранения подобного явления служит задатчик начальной температуры 7, который при включении вводит в выходной сигнал интегратора сигнал Т0, равный значению температуры окружающей среды в момент включения устройства посредством сумматора 6. После включения задатчик отключается от датчика наружной температуры, сохраняя на своем выходе значение температуры, имевшее место на момент включения.
Каналы вариаций температуры, подключаются своими выходами к блоку температурной поправки, содержащему n - задатчиков коэффициентов влияния k, n - перемножителей и сумматор, как показано на фиг. 2
В соответствии с выражением (1) выходные сигналы Т(τ) каналов вариаций температуры домножаются в перемножителях 10 на коэффициенты влияния к (генерируемые задатчиками коэффициентов влияния 9) и поступают на входы алгебраического многовходового сумматора 11, как показано на фиг. 2. На выходе сумматора получается величина температурной поправки U.
Компенсатор температурной погрешности по приведенным схемам может быть выполнен как аналоговым, так и цифровым. Аналоговый вариант не имеет погрешности квантования, и, потенциально, может иметь более высокую точность и потреблять меньше энергии, однако время работы интеграторов в каналах вариаций температуры ограничено из-за накапливающейся погрешности. Цифровой вариант устройства может быть выполнен на микропроцессорах и не имеет ограничений по времени работы интеграторов. Также существует возможность реализации устройства в цифро-аналоговом варианте, когда, например, интеграторы каналов вариаций температуры выполняются на микропроцессорах, а остальные элементы исполняются аналоговыми. Компенсатор температурной поправки не сложен по конструкции и может быть изготовлен из стандартных электронных компонентов с применением типовых схемотехнических решений. Так, например, в качестве датчика температуры может быть использован терморезистор типа j1540/b57540j1, имеющий малые габариты и низкую тепловую инертность. Для изготовления перемножителей, сумматоров и интеграторов каналов вариаций температуры и блока температурной поправки могут быть использованы операционные усилители типа TL071, а задатчики коэффициентов могут быть реализованы с помощью переменных резисторов типа СП4-1. Для цифрового варианта может быть использован, например, процессор Atmega Ml6.
Таким образом, предложенный компенсатор, включающий датчик температуры, измеряющий температуру окружающей среды, где установлен лазерно-интерференционный измеритель, каналы вариаций температуры, в каждом из которых рассчитывается мгновенное значение вариации температуры для каждого учитываемого конструктивного элемента, и блок температурной поправки, определяющий температурную поправку с учетом мгновенных значений вариаций температуры, а также физических свойств и степени влияния на итоговый результат каждого учитываемого конструктивного элемента с помощью коэффициентов влияния k, позволяет определить температурную поправку для выходного сигнала лазерно-интерференционного измерителя с большой точностью, что позволяет дополнительно снизить чувствительность лазерно-интерференционных измерителей к вариациям температуры, в большей степени снимает проблему термоизоляции помещения, где располагается лазерно-интерференционный измеритель.