eng
Выпуск #6/2020
С. В. Яковенко
Система учета температурной погрешности показаний интерферометра автономного лазерного измерителя колебаний давления
Система учета температурной погрешности показаний интерферометра автономного лазерного измерителя колебаний давления
Просмотры: 1791
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.6.532.537
Описана система учета погрешности показаний интерферометра, связанной с изменением температуры на примере автономного лазерного измерителя колебаний давления жидкости. Рассматриваются особенности регистрации и учета температуры снаружи и внутри прибора, результаты измерения скорректированных колебаний давления сравниваются с теоретически рассчитанными для частотного диапазона приливов. Показана строгая необходимость проведения учета температурной погрешности, значительно искажающей первичные данные.
Описана система учета погрешности показаний интерферометра, связанной с изменением температуры на примере автономного лазерного измерителя колебаний давления жидкости. Рассматриваются особенности регистрации и учета температуры снаружи и внутри прибора, результаты измерения скорректированных колебаний давления сравниваются с теоретически рассчитанными для частотного диапазона приливов. Показана строгая необходимость проведения учета температурной погрешности, значительно искажающей первичные данные.
Теги: hydrosphere interferometer temperature error monitoring of hydrodynamic processes stand-alone pressure fluctuation meter underwater measuring system автономный измеритель колебаний давления гидросфера мониторинг гидродинамических процессов. подводная измерительная система температурная погрешность при работе интерферометра
Система учета температурной погрешности показаний интерферометра автономного лазерного измерителя колебаний давления
С. В. Яковенко
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия
Описана система учета погрешности показаний интерферометра, связанной с изменением температуры на примере автономного лазерного измерителя колебаний давления жидкости. Рассматриваются особенности регистрации и учета температуры снаружи и внутри прибора, результаты измерения скорректированных колебаний давления сравниваются с теоретически рассчитанными для частотного диапазона приливов. Показана строгая необходимость проведения учета температурной погрешности, значительно искажающей первичные данные.
Ключевые слова: температурная погрешность при работе интерферометра, автономный измеритель колебаний давления, подводная измерительная система, гидросфера, мониторинг гидродинамических процессов.
Статья получена: 28.07.2020
Принята к публикации: 24.08.2020
Высокая чувствительность лазерного интерферометра, а также широчайший частотный диапазон позволяют использовать его для мониторинга многих физических величин прямыми и косвенными методами. Во время измерений происходит регистрация изменения состояния интерференционной картины, образованной определенным ходом лучей в интерферометре, длина пробега которых напрямую или опосредованно связана с измеряемой физической величиной. По такому принципу созданы лазерные измерители микроколебаний земной коры (деформографы) [1], лазерные измерители вариаций давления атмосферы (нанобарографы) [2] и гидросферы [3], лазерные гравиметры [4] и другие приборы.
Однако, несмотря на потенциально уникальные характеристики, достижимые в измерителях на основе лазерных интерферометров, фактическое создание приборов, действительно имеющих такие параметры, связано с решением важных инженерных задач, а также специальной пост-обработкой полученных данных. Игнорирование или некорректное решение этих вопросов приводит, например, к тому, что записанный сигнал искажен за счет «подмешанной» информации, не имеющей отношения к измеряемой величине. В частности, для работы этого типа оборудования требуются очень стабильные условия микроклимата в интерференционном узле либо его изменения должны учитываться. Влажность, давление и температура влияют на изменение коэффициентов преломления либо попросту изменяют физические размеры компонентов прибора, внося, таким образом, погрешность в измерения.
Рассмотрим влияние изменения температуры на получаемые интерферометром данные на примере разработанного ранее лазерного измерителя колебаний давления [5]. Применение нами подобных измерителей позволило накопить большой опыт работы с такими устройствами. Были созданы модификации с использованием разных источников излучения и компоновки прибора [6].
Основой прибора является интерферометр Майкельсона, собранный по модифицированной схеме неравноплечего типа. Оптико-механическая схема устройства и принцип его действия показаны на рис. 1.
В качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый частотно-стабилизированный лазер 1. Его луч разделяется на делительном кубе 4 на две части, образуя «плечи» интерферометра, одно из которых является эталонным. Луч, который распространяется по второму, проходит через зеркало, закрепленное на внутренней стороне мембраны, установленной в крышке прибора. На внешнюю сторону мембраны 3 производится давление забортной воды и это «плечо» является, таким образом, измерительным. Пространственное сведение попадающих обратно на делительный куб 4 обоих лучей (после их прохождения по своим оптическим путям) позволяет получить интерференционную картину переменной яркости, обусловленную изменением разности хода лучей. Изменение яркости регистрируется фотоприемником 2 системы регистрации 7, которая формирует сигнал разности хода лучей. Этот сигнал является выходным, и он же подается на один из пьезокерамических элементов 5 для возврата интерференции на экстремум, т. е. таким способом происходит компенсация возникшей разности хода.
В приборе применяется система компенсации гидростатического давления. Она необходима для выравнивания давления по обе стороны от мембраны перед началом измерений. Назначение системы в том, чтобы не позволить мембране быть задавленной внутрь пространства прибора при наращивании гидростатического давления. Таким образом, к началу проведения измерений мембрана остается в положении нулевого смещения. Для этого при погружении прибора по команде открывается электромагнитный клапан 11, который пропускает воздух из специальной эластичной емкости 12 в камеру небольшого объема (компенсационная камера 6) между мембраной и основным пространством корпуса, отделенную от него прозрачным гермоокном 9. Воздух из емкости нагнетается внутрь компенсационной камеры с давлением, равным забортному. По окончании погружения клапан закрывается. При обратном подъеме прибора воздух из компенсационной камеры таким же образом стравливают обратно во внешний резервуар, вновь выравнивая давление по обе стороны от мембраны. На рис. 2 показана фотография практической реализации описанного прибора.
На крышке прибора установлен дополнительный герметичный разъем, предназначенный для опционального оборудования. Это универсальный интерфейс, снабженный электрическим питанием и линией передачи данных. С помощью него измеритель может работать совместно с датчиками глубины, гидрофонами, гидрологическими и прочими измерителями, телеметрическими модулями радиосвязи. Кроме того, прибор комплектуется гермобоксом, подключаемым к основному герморазъему питания и связи для обеспечения функции автономности. Установленная там система электрического питания мощностью около 8 000 Вт ∙ ч и регистрационный блок на основе промышленного компьютера позволяют измерителю работать в автономном режиме в течение более шести суток.
В работе интерферометра используется система регистрации интерференционного измерителя вариаций давления [7]. Данная модель системы регистрации позволяет получить точность перемещения центра мембраны 0,75 λ / (2N–1) или 0,06 нм. Пересчет регистрируемого перемещения в вариации давления производится по формуле, описывающей поведение центра закрепленной на краях плоской мембраны [8]:
,
где Δl – смещение мембраны; h – толщина мембраны; E – модуль Юнга; σ – коэффициент Пуассона; R – радиус мембраны. В измерителе могут быть использованы мембраны, изготовленные из листа нержавеющей стали толщиной 0,1; 0,5; 1; 2 мм. В данной работе была использована мембрана толщиной 1 мм. Для значений R = 5 см, h = 1 мм, E = 2,1 ∙ 1011 Н / м2, σ = 0,25 и Δl = 0,06 нм получим, что разрешение измерителя по давлению составляет P = 11,5 мПа. При этом, с точки зрения частотных характеристик, система способна регистрировать вариации давления в диапазоне частот от самых низких (близких к нулевым), зависящих от времени наблюдения до 1 000 Гц.
Как отмечено в начале статьи, представленные расчетные характеристики прибора вполне достижимы, однако получаемые данные подвергаются значительным искажениям за счет погрешностей, вносимых параметрами микроклимата внутри измерительной установки.
Рассмотрим пример записи (рис. 3), сделанной в бухте Алексеева на острове Попова в Амурском заливе осенью 2019 года. Длительность участка записи более 90 часов (около 4 суток).
В период времени, когда была сделана запись, не было существенных ветров, атмосферных депрессий, выпадений осадков и прочих факторов, которые могли бы повлиять на уровень моря в данном районе береговой черты, однако запись естественного и наиболее сильного колебательного процесса – приливов здесь сильно искажена и явно имеет посторонние включения. Забегая вперед, можно сказать, что нам уже известно, что именно это за погрешности, однако данная запись демонстрирует, как выглядят измерения, сделанные интерферометром без специальной коррекции данных относительно этих погрешностей.
На рис. 4 приведен график записи температурного датчика, размещенного в металле опорной пластины интерферометра. Данные колебания вызваны изменением температуры воды снаружи прибора, которая через металл крышки и корпуса влияет на изменение температуры внутри прибора.
Это, в свою очередь, приводит к изменению длины эталонного плеча вследствие теплового расширения деталей интерферометра. Используя два датчика – внешний и внутренний, мы получаем информацию о поле температуры снаружи прибора, а также возможность расчета градиента температуры, влияющего на мгновенный корректирующий коэффициент.
Функция динамически изменяющегося корректирующего коэффициента была определена расчетным путем и скорректирована при проведении тестов. После этого функция коррекции показаний интерферометра была включена в программное обеспечение обработки измерений. При этом расчет итогового значения давления производится по формуле Pкорр = Pi – Ti ∙ Kкорр i. В результате получим ряд данных вида, представленный на рис. 5.
На этом примере показано, что система корректировки температурной погрешности в данных интерферометра работает должным образом, установка ее на прибор оправдана и целесообразна, а также и то, что данная методика может быть использована на интерферометрах данного класса, использующихся в широком спектре задач, касающихся измерения вариаций давления и, в частности, при изучении амплитудно-фазовых колебаний давления гидросферы в широком частотном диапазоне.
Финансирование
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-05-80011_Опасные явления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Лазерный деформограф с точностью на уровне пикометров. Приборы и техника эксперимента. 2013; 36(2): 138–139.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004; 8: 82.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. ПТЭ. 2005; 48(6): 137–138.
Патент RU99194 U1.Лазерный баллистический гравиметр / Калиш Е. Н.
Долгих Г. И., Будрин C. С., Швец В. А., Яковенко С. В. Автономный лазерный измеритель колебаний давления. Фотоника. 2019; 13(4): 372–381. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.372.380.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Швец В. А., Яковенко С. В. Цифровая система регистрации лазерно-интерференционных установок. Приборы и техника эксперимента. 2008; 51(5):158–159.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VII. Теория упругости. – М.: Наука. 1987. 246 с.
С. В. Яковенко
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия
Описана система учета погрешности показаний интерферометра, связанной с изменением температуры на примере автономного лазерного измерителя колебаний давления жидкости. Рассматриваются особенности регистрации и учета температуры снаружи и внутри прибора, результаты измерения скорректированных колебаний давления сравниваются с теоретически рассчитанными для частотного диапазона приливов. Показана строгая необходимость проведения учета температурной погрешности, значительно искажающей первичные данные.
Ключевые слова: температурная погрешность при работе интерферометра, автономный измеритель колебаний давления, подводная измерительная система, гидросфера, мониторинг гидродинамических процессов.
Статья получена: 28.07.2020
Принята к публикации: 24.08.2020
Высокая чувствительность лазерного интерферометра, а также широчайший частотный диапазон позволяют использовать его для мониторинга многих физических величин прямыми и косвенными методами. Во время измерений происходит регистрация изменения состояния интерференционной картины, образованной определенным ходом лучей в интерферометре, длина пробега которых напрямую или опосредованно связана с измеряемой физической величиной. По такому принципу созданы лазерные измерители микроколебаний земной коры (деформографы) [1], лазерные измерители вариаций давления атмосферы (нанобарографы) [2] и гидросферы [3], лазерные гравиметры [4] и другие приборы.
Однако, несмотря на потенциально уникальные характеристики, достижимые в измерителях на основе лазерных интерферометров, фактическое создание приборов, действительно имеющих такие параметры, связано с решением важных инженерных задач, а также специальной пост-обработкой полученных данных. Игнорирование или некорректное решение этих вопросов приводит, например, к тому, что записанный сигнал искажен за счет «подмешанной» информации, не имеющей отношения к измеряемой величине. В частности, для работы этого типа оборудования требуются очень стабильные условия микроклимата в интерференционном узле либо его изменения должны учитываться. Влажность, давление и температура влияют на изменение коэффициентов преломления либо попросту изменяют физические размеры компонентов прибора, внося, таким образом, погрешность в измерения.
Рассмотрим влияние изменения температуры на получаемые интерферометром данные на примере разработанного ранее лазерного измерителя колебаний давления [5]. Применение нами подобных измерителей позволило накопить большой опыт работы с такими устройствами. Были созданы модификации с использованием разных источников излучения и компоновки прибора [6].
Основой прибора является интерферометр Майкельсона, собранный по модифицированной схеме неравноплечего типа. Оптико-механическая схема устройства и принцип его действия показаны на рис. 1.
В качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый частотно-стабилизированный лазер 1. Его луч разделяется на делительном кубе 4 на две части, образуя «плечи» интерферометра, одно из которых является эталонным. Луч, который распространяется по второму, проходит через зеркало, закрепленное на внутренней стороне мембраны, установленной в крышке прибора. На внешнюю сторону мембраны 3 производится давление забортной воды и это «плечо» является, таким образом, измерительным. Пространственное сведение попадающих обратно на делительный куб 4 обоих лучей (после их прохождения по своим оптическим путям) позволяет получить интерференционную картину переменной яркости, обусловленную изменением разности хода лучей. Изменение яркости регистрируется фотоприемником 2 системы регистрации 7, которая формирует сигнал разности хода лучей. Этот сигнал является выходным, и он же подается на один из пьезокерамических элементов 5 для возврата интерференции на экстремум, т. е. таким способом происходит компенсация возникшей разности хода.
В приборе применяется система компенсации гидростатического давления. Она необходима для выравнивания давления по обе стороны от мембраны перед началом измерений. Назначение системы в том, чтобы не позволить мембране быть задавленной внутрь пространства прибора при наращивании гидростатического давления. Таким образом, к началу проведения измерений мембрана остается в положении нулевого смещения. Для этого при погружении прибора по команде открывается электромагнитный клапан 11, который пропускает воздух из специальной эластичной емкости 12 в камеру небольшого объема (компенсационная камера 6) между мембраной и основным пространством корпуса, отделенную от него прозрачным гермоокном 9. Воздух из емкости нагнетается внутрь компенсационной камеры с давлением, равным забортному. По окончании погружения клапан закрывается. При обратном подъеме прибора воздух из компенсационной камеры таким же образом стравливают обратно во внешний резервуар, вновь выравнивая давление по обе стороны от мембраны. На рис. 2 показана фотография практической реализации описанного прибора.
На крышке прибора установлен дополнительный герметичный разъем, предназначенный для опционального оборудования. Это универсальный интерфейс, снабженный электрическим питанием и линией передачи данных. С помощью него измеритель может работать совместно с датчиками глубины, гидрофонами, гидрологическими и прочими измерителями, телеметрическими модулями радиосвязи. Кроме того, прибор комплектуется гермобоксом, подключаемым к основному герморазъему питания и связи для обеспечения функции автономности. Установленная там система электрического питания мощностью около 8 000 Вт ∙ ч и регистрационный блок на основе промышленного компьютера позволяют измерителю работать в автономном режиме в течение более шести суток.
В работе интерферометра используется система регистрации интерференционного измерителя вариаций давления [7]. Данная модель системы регистрации позволяет получить точность перемещения центра мембраны 0,75 λ / (2N–1) или 0,06 нм. Пересчет регистрируемого перемещения в вариации давления производится по формуле, описывающей поведение центра закрепленной на краях плоской мембраны [8]:
,
где Δl – смещение мембраны; h – толщина мембраны; E – модуль Юнга; σ – коэффициент Пуассона; R – радиус мембраны. В измерителе могут быть использованы мембраны, изготовленные из листа нержавеющей стали толщиной 0,1; 0,5; 1; 2 мм. В данной работе была использована мембрана толщиной 1 мм. Для значений R = 5 см, h = 1 мм, E = 2,1 ∙ 1011 Н / м2, σ = 0,25 и Δl = 0,06 нм получим, что разрешение измерителя по давлению составляет P = 11,5 мПа. При этом, с точки зрения частотных характеристик, система способна регистрировать вариации давления в диапазоне частот от самых низких (близких к нулевым), зависящих от времени наблюдения до 1 000 Гц.
Как отмечено в начале статьи, представленные расчетные характеристики прибора вполне достижимы, однако получаемые данные подвергаются значительным искажениям за счет погрешностей, вносимых параметрами микроклимата внутри измерительной установки.
Рассмотрим пример записи (рис. 3), сделанной в бухте Алексеева на острове Попова в Амурском заливе осенью 2019 года. Длительность участка записи более 90 часов (около 4 суток).
В период времени, когда была сделана запись, не было существенных ветров, атмосферных депрессий, выпадений осадков и прочих факторов, которые могли бы повлиять на уровень моря в данном районе береговой черты, однако запись естественного и наиболее сильного колебательного процесса – приливов здесь сильно искажена и явно имеет посторонние включения. Забегая вперед, можно сказать, что нам уже известно, что именно это за погрешности, однако данная запись демонстрирует, как выглядят измерения, сделанные интерферометром без специальной коррекции данных относительно этих погрешностей.
На рис. 4 приведен график записи температурного датчика, размещенного в металле опорной пластины интерферометра. Данные колебания вызваны изменением температуры воды снаружи прибора, которая через металл крышки и корпуса влияет на изменение температуры внутри прибора.
Это, в свою очередь, приводит к изменению длины эталонного плеча вследствие теплового расширения деталей интерферометра. Используя два датчика – внешний и внутренний, мы получаем информацию о поле температуры снаружи прибора, а также возможность расчета градиента температуры, влияющего на мгновенный корректирующий коэффициент.
Функция динамически изменяющегося корректирующего коэффициента была определена расчетным путем и скорректирована при проведении тестов. После этого функция коррекции показаний интерферометра была включена в программное обеспечение обработки измерений. При этом расчет итогового значения давления производится по формуле Pкорр = Pi – Ti ∙ Kкорр i. В результате получим ряд данных вида, представленный на рис. 5.
На этом примере показано, что система корректировки температурной погрешности в данных интерферометра работает должным образом, установка ее на прибор оправдана и целесообразна, а также и то, что данная методика может быть использована на интерферометрах данного класса, использующихся в широком спектре задач, касающихся измерения вариаций давления и, в частности, при изучении амплитудно-фазовых колебаний давления гидросферы в широком частотном диапазоне.
Финансирование
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-05-80011_Опасные явления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Лазерный деформограф с точностью на уровне пикометров. Приборы и техника эксперимента. 2013; 36(2): 138–139.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004; 8: 82.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. ПТЭ. 2005; 48(6): 137–138.
Патент RU99194 U1.Лазерный баллистический гравиметр / Калиш Е. Н.
Долгих Г. И., Будрин C. С., Швец В. А., Яковенко С. В. Автономный лазерный измеритель колебаний давления. Фотоника. 2019; 13(4): 372–381. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.372.380.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Швец В. А., Яковенко С. В. Цифровая система регистрации лазерно-интерференционных установок. Приборы и техника эксперимента. 2008; 51(5):158–159.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VII. Теория упругости. – М.: Наука. 1987. 246 с.
Отзывы читателей
