ОПТИЧЕСКИЕ  МЕТОДЫ  КОНТРОЛЯ  ПОЛОЖЕНИЯ  ФАКЕЛА  В  ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ  КОТЛАХ

Муравлев  Вячеслав  Константинович

канд.физ-техн.наук,  зав.кафедрой  приборостроения,  доцент  Карагандинского  государственного  технического  университета,  Республика  Казахстан,  г.  Караганды

Жунисбеков  Берик  Шабданбекулы

магистрант  Карагандинского  государственного  технического  университета,  Республика  Казахстан,  г.  Караганды

E-mаil:  bj_08@mаil.ru

ОPTICАL  METHОDS  FОR  MОNITОRING  THE  PОSITIОN  ОF  THE  FLАME  IN  THE  CОАL-FIRED  BОILERS

Murаvlev  Vyаcheslаv

cаndidаte  оf  Physic-mаthemаticаl  Sciences ,  Heаd  оf  Instrument-mаking  depаrtment,  аssistаnt  prоfessоr  оf  Kаrаgаndа  Stаte  Technicаl  University,  Republic  оf  Kаzаkhstаn,  Kаrаgаndа

Zhunisbekоv  Berik

mаster  student  оf  Kаrаgаndа  Stаte  Technicаl  University,  Republic  оf  Kаzаkhstаn,  Kаrаgаndа

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены  оптические  методы  контроля  положения  объекта.  Дан  обзор  основных  способов  контроля  положения  факела  в  пылеугольных  котлах.  Приведены  методы  бесконтактного  контроля  положения  факела,  что  способствует  долговечности  измерительной  системы

АBSTRАCT

Оpticаl  methоds  оf  оbject's  pоsitiоnаl  cоntrоl  аre  cоnsidered.  Mаin  strаtegies'  review  оf  а  flаme's  pоsitiоnаl  cоntrоl  in  dust-cоаl-bоilers  is  prоvided.  Flаme's  pоsitiоn's  nо-tоuch  cоntrоl  is  intrоduced,  which  fаcilitаtes  the  endurаnce  оf  meаsuring  system.

Ключевые  слова:  контроль  положения;  оптический  контроль;  факел.

Keyw оrds:  pоsitiоn  cоntrоl;  оpticаl  cоntrоl;  flаme. 

В  настоящее  время  оптико-электронные  приборы  применяются  во  всех  областях  науки,  техники,  производства,  в  которых  используется  для  измерения  параметров  и  количественных  характеристик  не  только  физических,  но  и  технологических  процессов  и  для  управления  бытовой  техникой  и  подвижными  объектами. 

При  этом  благодаря  положительным  свойствам  оптического  излучения,  такие  системы  могут  решать  самые  сложные  многофункциональные  задачи  с  высокими  характеристиками  точности,  надежности,  быстродействия,  пропускной  способности,  возможностями  логической  и  математической  обработки  информации.

Характерными  представителями  подобных  систем  являются  оптические  преобразователи.  В  таких  преобразователях  входная  величина  (линейное  или  угловое  перемещение)  преобразуется  в  форму,  которая  удобна  для  восприятия  техническим  средством  [1,  с.  4].

Развитие  современных  технологий  требует  значительного  увеличения  точности  при  контроле  положения  объектов.  Как  показывает  практика,  для  контроля  положения  целесообразно  использовать  бесконтактные  оптические  методы,  обладающие  высокой  чувствительностью,  точностью  и  скоростью  измерений  [2,  с.  78].

По  принципиальным  методам  формирования  кодирующих  сигналов  (рабочих  мер),  оптические  преобразования  подразделяются  на  растровые,  интерференционные  и  дифракционные  методы  [3,  с.  3].

Растровые  преобразователи  представляют  собой  последовательность  штрихов,  которые  нанесены  на  рабочую  поверхность  меры  через  определенный  интервал.  В  таких  кодирующих  структурах  длина  штриха  намного  больше  шага  штриха  и  в  результате  перемещений  анализирующей  структуры  относительно  кодирующей  структуры  происходит  смещение  образующихся  комбинационных  полос  [1,  с.  8].  Такие  преобразователи  часто  используются  при  определении  положения  подвижных  объектов,  например,  положение  поезда  относительно  реперных  точек.  Контроль  положение  факела  в  пылеугольных  котлах  данным  методом  не  осуществляется.

Дифракционные  методы  контроля  пространственного  положения  объектов  наиболее  часто  используют  в  измерительной  технике,  когда  требуется  высокая  точность,  бесконтактность  и  автоматизация  измерительного  процесса.  Они  позволяют  производить  измерения  размеров  в  диапазоне  от  единиц  до  сотен  микрометров,  с  точностью  до  нескольких  микрометров.  Лазерное  излучение  позволяет  получить  высококонтрастную  дифракционную  картину  с  большим  числом  дифракционных  порядков  и  избавиться  от  погрешностей,  связанных  с  немонохроматичностью  излучения.  По  интенсивности  в  ее  характерных  точках  или  расстоянию  между  ними  судят  о  размерах,  пространственном  положении  или  физических  свойствах  объекта  [4,  с.  77].

Возможности  дифракционного  метода  контроля  сильно  зависят  от  выбора  регистрируемых  параметров  дифракционного  распределения.  По  виду  регистрируемых  параметров  дифракционные  методы  контроля  подразделяются  на  следующие  группы:

1.  на  основе  регистрации  интенсивности  дифракционного  распределения  в  фиксированных  точках;

2.  на  основе  регистрации  характеристических  размеров  распределения  интенсивности  (например,  расстояния  l  между  его  экстремальными  точками).

Эти  методы  контроля  обладают  рядом  недостатков.  Чувствительность  при  регистрации  по  интенсивности  в  фиксированных  точках  спектра  Винера  (рис.  1)  будет  определяться  выражением

                                               (1)    

где  коэффициент  С  зависит  от  мощности  источника  излучения. 

Анализ  выражения  (1)  показывает,  что  чувствительность  максимальна  в  точках,  где  крутизна  распределения  интенсивности  максимальна.  Чувствительность  падает  с  уменьшением  измеряемого  размера  а,  поэтому  измерение  малых  размеров  сильно  затруднено.  Кроме  того,  ограничен  диапазон  измерения,  не  больше  ±  20  %  от  размера  объекта,  а  сигнал  сильно  зависит  от  мощности  источника  и  положения  объекта  в  пределах  пучка.  Даже  при  стабилизации  излучения  лазера  точность  метода  не  превышает  0,5  %  от  измеряемого  размера.

Рисунок  1.  Дифракционные  методы  контроля  с  регистрацией  интенсивности  в  фиксированных  точках  и  регистрацией  масштаба  спектра  Винера

В  целях  повышения  точности  наведения  на  точки  минимумов  нужно  либо  применять  более  совершенную  цифровую  схему  обработки  сигнала,  либо  необходимо  использовать  оптическую  обработку  дифракционной  картины.  Оптическая  обработка  дифракционной  картины  использует  преимущества  наведения  на  точки  инверсии  фазы  частотного  спектра,  которым  соответствует  максимальная  чувствительность  [4,  c.  78—79].

Препятствием  для  дальнейшего  увеличения  точности  дифракционных  методов  контроля  является  их  недостаточная  точность  из-за  регистрации  дифракционной  картины  квадратичными  приемниками.  Поэтому  дальнейшие  исследования  в  целях  повышения  точности  и  чувствительности  дифракционных  методов  контроля  требуют  создать  оптические  системы  обработки  информации,  использующие  амплитудно-фазовое  распределение  световых  полей  за  контролируемым  объектом  [5,  c.  46].

На  данный  момент  в  сфере  контроля  положения  объектов  широкое  применение  имеют  интерференционные  методы  контроля.  Данные  методы  используются  для  оценки  геометрических  параметров  и  их  положения  в  пространстве. 

Недостатком  современных  интерферометров  является  сложность  конструкции  данных  приборов  и  жесткие  требования  к  условиям  окружающей  среды  при  проведении  измерений.  Поэтому  необходимо  упростить  конструкцию  измерителей  при  сохранении  точностных  характеристик. 

В  работе  [6]  вместо  наведения  на  одну  точку  инверсии  фазы,  предложено  выполнять  наведение  на  множество  точек  с  разными  порядками.  Осуществляется  данное  наведение  с  помощью  развернутой  щели.  В  результате  наведения  формируется  вторичная  картина,  которая  очень  чувствительна  к  смещению  точек  инверсии  относительно  центра  щели.  Схема  устройства,  реализующего  данный  метод,  приведена  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Интерферометр:  1  —  лазер;  2  —  телескопическая  система;  3  —  вспомогательное  зеркало;  4  —  отражатель;  5  —  светоделительный  кубик;  6  —  бипризма  Френеля;  7  —  щель;  8  —  приемник

Волновой  фронт,  который  отражается  от  объекта  (4)  падает  на  бипризму  (6),  которая,  в  свою  очередь,  делит  его  пополам.  В  результате  на  щель  падают  два  волновых  фронта  под  углами 

                                                 (2)

где  n  —  показатель  преломления  материала  бипризмы,

σ   —  преломляющий  угол  бипризмы

Щель,  которая  развернута  относительно  интерференционных  полос  на  угол  α,  пересекает  линии  инверсии  интерференционной  картины  (рисунок  3).

При  изменении  фазы  входного  сигнала  на  щели,  в  дифракционной  картине  появляются  дополнительные  полосы.  Их  минимумы  соответствуют  пересечению  линий  инверсии  фазы  с  осью  [6,  c.  38]. 

Рисунок  3.  Геометрическая  схема  формирования  вторичных  интерференционных  полос  при  развороте  щели

В  настоящее  время  активно  развивается  новое  направление  в  оптических  измерениях  —  низкокогеренттная  интерферометрия.  При  помощи  данного  метода  можно  контролировать  положение  объекта  через  модуль  степени  временной  когерентности  излучения,  т.  е.  по  максимальному  значению  чувствительного  интерференционного  сигнала.  Чувствительность  определяется  длиной  временной  когерентности. 

Эквивалентность  процессов  временного  и  пространственного  усреднения  хорошо  просматирвается,  когда  в  результирующем  интерференционном  поле  фотоприемником  не  разрешаются  амплитудно-фазовые  пространственные  распределения  [7,  c.  19].

Интерференционный  способ  контроля  положения  позволяет  проводить  измерения  с  высокой  точностью.  Также  низкокогерентная  интерферометрия  по  своим  принципиальным  диагностическим  и  измерительным  характеристикам  не  уступает  интерферометрам  с  использованием  источников  света  с  низкой  степенью  временной  когерентности.  Возможно  применение  таких  интерферометров  в  целях  определения  и  обнаружения  положения  отражающего  объекта  в  рассеивающей  среде.

Список  литературы:

1.Коротаев  В.В.,  Прокофьев  А.В.,  Тимофеев  А.Н.  Оптико-электронные  преобразователи  линейных  и  угловых  перемещений.  Часть  1.  Оптико-электронные  преобразователи  линейных  перемещений  /Учебное  пособие.  -СПб:  НИУ  ИТМО,  2012.  —  114  стр.

2.Иванов  А.Н.,  Киреенков  В.Е.,  Носова  М.Д.  Дифракционные  методы  контроля  пространственного  положения  объектов  //  Известия  ВУЗов.  Приборостроение.  —  2013.  —  №  11. 

3.ГОСТ  26242-90.  Системы  числового  программного  управления.  Преобразователи  перемещений.  Общие  технические  условия  /  М.:  Государственный  комитет  СССР  по  управлению  качеством  продукции  и  стандартам,  1990.  —  13  стр. 

4.Иванов  А.Н.  Дифракционные  методы  контроля  геометрических  параметров  объектов  и  их  пространственного  положения.  //  Вестник  ІІ  межвузовской  конференции  молодых  ученых.  Сборник  научных  трудов.  СПб.  —  2012.  —  Т.  3. 

5.Назаров  В.Н.,  Иванов  А.Н.  Использование  явления  Муара  для  увеличения  точности  дифракционных  методов  контроля  геометрических  параметров  и  пространственного  положения  объекта.  //  Оптический  журнал.  —  2009.  —  №  1

6.Носова  М.Д.,  Иванов  А.Н,  Интерференционные  способы  контроля  положения  объектов  с  использованием  точек  инверсии  фазы  оптического  сигнала.  //  Глобальный  научный  потенциал.  Машиностроение.  —  2014.  —  №  9. 

7.Рябухо  В.П.,  Хомутов  В.Л.,  Лякин  Д.В.,  Константинов  К.В.  Лазерный  интерферометр  с  острофокусированными  пучками  для  контроля  пространственного  положения  объекта.  //  Письма  в  ЖТФ.  —  1998.  —  №  4.