Оптичні засоби автоматизованого контролю параметрів водно-дисперсних середовищ за умов глибинного режиму

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

Оптичні засоби автоматизованого контролю параметрів водно-дисперсних середовищ за умов глибинного режиму

1. Загальна характеристика роботи

прилад контроль оптичний

Актуальність теми. Відомі оптичні засоби контролю параметрів неоднорідних середовищ є громіздкими, переважно працюють у ручному режимі, мають низькі точність, достовірність та швидкодію. Тому важливість роботи полягає у необхідності підвищення точності вимірювань, збільшення швидкодії оптичних засобів автоматизованого контролю (ОЗАК) параметрів водно-дисперсних середовищ та підвищення достовірності результатів контролю, які можна використовувати в екологічному моніторингу природних водних об'єктів, контролю технологічних процесів водоочищення, водопідготовки, а також переробки та зберігання готової продукції в харчовій промисловості тощо. При цьому існуючі засоби контролю гідрофізичних та оптичних параметрів потребують вдосконалення, автоматизації контрольно-вимірювальних процедур, оптимізації оптичних первинних перетворювачів, розроблення сучасних програмно-апаратних засобів перетворення та представлення результатів контролю у зручному для оператора вигляді. Крім того, є необхідним удосконалення методу глибинного режиму, що дозволяє отримати просторові тіла яскравості або індикатриси розсіювання мутних середовищ, з допомогою яких можна здійснювати контроль дисперсності за середнім розміром диспергованих часток, їх концентрацію та кількість у одиниці об'єму, а також підвищення точності вимірювань, достовірності та швидкодії за рахунок автоматизації засобів контролю та покращення їх метрологічних характеристик.

Вирішенню вище зазначених проблем присвячена значна кількість робіт відомих вчених в галузі оптики світлорозсіяння та гідрооптики, а саме: Іванова А.П., Розенберга Г.В., Ван-де-Хюлста, Фабелінського І.Л., Тимофєєвої В.А., Шулейкіна В.В., Рвачова В.П., Зеге Е.П., Шифріна К.С., Соболева В.В., Сахновського М.Ю., Зорі А.А., Петрука В.Г. та інших, що зробили вагомий внесок у розвиток теоретичних та методологічних засад засобів вимірювань та контролю неоднорідних середовищ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно програм наукових досліджень Держкомітету у справах науки і технологій та координаційного плану науково-дослідних робіт на 2002-2005 рр. МОН України “Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток” за держбюджетними темами “Дослідження тіл яскравості за методом глибинного режиму для екологічного моніторингу дисперсних середовищ”, номера держреєстраціїї 0102U002252, 0105U002417 та господоговірних темах №0101U007855, №0105U000056 і №0104U010157, у виконанні яких автор брав безпосередню участь в якості відповідального виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення швидкодії і вірогідності контролю параметрів водно-дисперсних середовищ за допомогою оптичних автоматизованих засобів в умовах глибинного режиму і розроблення на їх основі нового методу контролю дисперсності.

Відповідно до цієї мети необхідно було розв'язати такі основні задачі:

- на основі методу глибинного режиму розробити контрольно-вимірювальні засоби для дослідження дисперсності водно-дисперсних середовищ;

- вдосконалити існуючі методики спектрофотометричних вимірювань і контролю тіл яскравості та індикатрис розсіювання модельних і природних водно-дисперсних середовищ;

- розробити математичні моделі перетворення випромінювання оптичними первинними перетворювачами та об'єктами контролю;

- дослідити можливі реалізації автоматизованих засобів контролю і створити відповідне програмне забезпечення їх функціонування та обробки отриманої інформації;

- для підтвердження теоретичних розробок та положень здійснити ряд експериментальних досліджень тіл яскравості водно-дисперсних середовищ різноманітної природи та походження за умов глибинного режиму, на основі яких розробити метод контролю дисперсності водно-дисперсних середовищ.

Об'єкт дослідження - процес контролю параметрів водно-дисперсних середовищ за допомогою оптичних автоматизованих засобів в умовах глибинного режиму.

Предмет дослідження - оптичні та гідрофізичні параметри водно-дисперсних середовищ: тіла яскравості, індикатриси розсіяння та дисперсність, а також метрологічні характеристики оптичних засобів автоматизованого контролю.

Методи дослідження - при розв'язанні поставлених задач використовувались теорія переносу випромінювання, методи оптики світлорозсіювання, а також методи теорій вимірювань і контролю, похибок, теорії планування експерименту, математичної статистики і математичного моделювання та ін.

Наукова новизна одержаних результатів і положень, що виносяться на захист, полягає в покращенні метрологічних характеристик оптичних засобів автоматизованого контролю, а також в розробленні нового методу контролю дисперсності водно-дисперсних середовищ за умов глибинного режиму.

В роботі отримані такі наукові результати:

– вперше запропоновано метод контролю дисперсності на встановленій довжині хвилі зондуючого випромінювання, суть якого полягає у визначенні розміру диспергованих часток і відповідної дисперсності на основі виміряних значень яскравості на фіксованих кутах повороту оптичного зонда в глибинному режимі при наявності інтерференційно-дифракційних екстремумів на профілі тіла яскравості, що дозволило на відміну від аналогів підвищити вірогідність контролю дисперсності водно-дисперсних середовищ;

– удосконалено математичні моделі перетворення інформативного сигналу в оптичних первинних перетворювачах для вимірювання просторової освітленості (сферичного) та низхідної і висхідної освітленостей (призмового), що дозволило покращити їх оптико-геометричні та метрологічні характеристики і, на відміну від існуючих, підвищити точність вимірювань параметрів об'єкту контролю;

– дістали подальшого розвитку математичні моделі локації та перетворення випромінювання в приповерхневому, перехідному, глибинному, придонному режимах, що дозволило врахувати компоненти розсіяного потоку та отримати рівняння перетворення яскравості середовища, які підтверджені експериментально з задовільною розбіжністю не більше 5%, а також обґрунтувати доцільність використання саме глибинного режиму як найбільш інформативного, що дозволило підвищити вірогідність контролю параметрів водно-дисперсних середовищ;

– отримано аналітичні залежності для оцінки статичних метрологічних характеристик розроблених оптичних засобів автоматизованого контролю, які дозволили виділити основні складові інструментальної та методичної похибок (похибка АЦП, похибка від впливу кооперативних та розсіювальних ефектів, похибка дії інших впливів) та знайдено відповідну композицію законів розподілу, що дозволило оцінити вірогідність контролю параметрів водно-дисперсних середовищ.

Достовірність та обґрунтованість положень і висновків підтверджена зіставленням і задовільною збіжністю результатів експериментальних досліджень та відповідних математичних моделей і теоретичних розрахунків. При цьому система припущень є коректною, а справедливість висновків підтверджується патентом на винахід та впровадженнями в науку і практику.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробленні ОЗАК та методу контролю дисперсності водно-дисперсних середовищ. До одержаних в дисертації результатів, які мають важливе значення і знайшли практичну реалізацію, належать:

- встановлено, що основним оптичним параметром, з допомогою якого можна визначати гідрофізичні параметри у глибинному режимі, є яскравість та її функція від 0 до р або тіло яскравості, а також доведено, що за умов співрозмірності довжини хвилі зондуючого проміння з розміром диспергованих часток на фіксованих кутах наявні інтерференційно-дифракційні екстремуми яскравості, що дозволило підтвердити теоретичні передбачення тонкої структури індикатрис розсіяння водно-дисперсних середовищ та обґрунтувати новий метод контролю їх дисперсності;

- з метою реалізації запропонованого методу розроблено оптичні засоби автоматизованого контролю, з допомогою яких стало можливим експресно здійснювати контрольно-вимірювальні процедури всередині об'єкту контролю у трьох ступенях свободи по заданому алгоритму та оперативним представленням результатів, що у порівнянні з аналогами дозволило підвищити швидкодію контролю оптичних характеристик водно-дисперсних середовищ;

- методики проектування ОЗАК, а також методики вимірювань і контролю гідрофізичних та оптичних параметрів неоднорідних дисперсних середовищ, зокрема їх яскравості і дисперсності;

- реалізація і впровадження ОЗАК з використанням переваг по чутливості оптичних первинних перетворювачів, що дало можливість відслідковувати динаміку процесів забруднення, осадження (седиментації), визначати середній розмір диспергованих часток і застосовувати її для екологічного моніторингу, локації мутних середовищ тощо;

- алгоритмічне і програмне забезпечення, що реалізоване в одній інтегрованій програмній оболонці, яка дозволяє проводити наукові дослідження та екологічний експрес-контроль водно-дисперсних природних середовищ;

- експериментально визначені тіла яскравості і наявність в них інтерференційно-дифракційних екстремумів в області кутів для значень розмірів часток близьких до зондуючої довжини хвилі видимого діапазону спектра, що дозволило запропонувати і розробити новий метод контролю дисперсності та здійснювати локацію об'єктів у водно-дисперсних середовищах;

- емпіричні залежності, які дозволяють розв'язувати практичні задачі проектування і конструювання таких ОЗАК з використанням математичних пакетів MathCAD 2000 та Maple VI.

Основний зміст роботи складають результати досліджень на кафедрі хімії та екологічної безпеки Вінницького національного технічного університету за період з 1995 року по даний час. За безпосередньою участю автора розроблені і впроваджені окремі результати дисертаційної роботи: 1) у спеціалізованих відділах Державного управління екології та природних ресурсів у Вінницькій області; 2) у Вінницькому “Облводгоспі”; 3) на кафедрі органічної хімії Українського державного хіміко-технологічного університету, м. Дніпропетровськ; 4) в навчально-методичному процесі Вінницького національного технічного університету та ін.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи одержані автором одноосібно або при його безпосередній участі як відповідального виконавця згідно наведеного у кінці роботи бібліографічного списку. В роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належать розроблення методу визначення дисперсності водно-дисперсних середовищ [4,7], структурних схем оптичних засобів автоматизованого контролю параметрів водно-дисперсних середовищ [10-16], математичні моделі трансформації випромінювання у водно-дисперсних середовищах за умов приповерхневого, перехідного, глибинного та придонного режимів [2,3,9,18,21], алгоритм програмного забезпечення і комп'ютерного управління засобами автоматизованого контролю [5,6], основні теоретичні та експериментальні результати [1,8,17,19,20], а також патентний пошук та обґрунтування одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на 13 науково-технічних та науково-практичних конференціях міжнародного, республіканського та відомчого рівнів, у тому числі: 1) МНТК ”Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології”, (Вінниця, 2001); 2) МНТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 2002); 3) 11-а МНПК “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (Київ, 2002); 4) 2-ая МНК ”Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон” (Санкт-Петербург, Росія, 2002); 5) 12-а МНПК “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (Миргород, 2002); 6)МНПК “Регіон 2003: стратегія оптимального розвитку” (Харків, 2003); 7) VII МНТК “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця, 2003); 8) ІІ МНПК Інституту проблем природокористування та екології НАНУ (Дніпропетровськ, 2003); 9) VII Всеукраїнська наукова конференція студентів і аспірантів ”Екологічні проблеми регіонів України” (Одеса, 2005); 10) ІІІ МНК по оптоелектронним інформаційним технологіям "PHOTONICS-ODS 2005", (Вінниця, 2005); 11) 4-та МНПК ”КСАВП-2005” (Хмельницький, 2005); 12) ІІ Міжнародна екологічна конференція “Вода - дар природи” (Кельце, Польша, 2005); 13) VIІІ МНК “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця, 2005) та ін.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлені у 21 науковій публікації, зокрема 7 статтях у фахових журналах, що входять до переліку ВАК України, 12 статтях у збірниках матеріалів і тезах доповідей науково-технічних конференцій, 1 монографії та 1 патенті України на винахід.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, (що містять 63 рисунки і 6 таблиць), основних висновків по роботі, списку використаних джерел (225 бібліографічних посилань) і 8 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 213 сторінок, з яких основний зміст викладено на 171 сторінках.

2.Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми і необхідність розроблення сучасних оптичних засобів автоматизованого контролю параметрів водно-дисперсних середовищ та методу контролю їх дисперсності. Сформульовано мету та задачі дослідження. Визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано зв'язок роботи з науковими програмами, конкретну участь автора, апробацію результатів та структуру дисертації.

У першому розділі представлено класифікацію сучасних оптичних методів і засобів, в тому числі автоматизованого контролю водно-дисперсних середовищ, аналіз рівняння переносу випромінювання у водно-дисперсних середовищах та методів його розв'язку, специфіку асимптотичного методу та глибинного світлового режиму, особливості водно-дисперсних середовищ як об'єктів контролю, а також обґрунтовано задачі дослідження. Показано необхідність розробки нових технічних засобів автоматизованого контролю параметрів водно-дисперсних середовищ із відповідним програмним забезпеченням, а також підвищення швидкодії і вірогідності контролю в умовах глибинного режиму і розроблення на їх основі нового методу визначення дисперсності.

Другий розділ присвячено аналізу відомих та розробленню нових математичних моделей розсіяння випромінювання водно-дисперсними середовищами за умов глибинного режиму на основі принципу двопотокового наближення, що випливає з рівняння переносу випромінювання та полягає в урахуванні низхідного і висхідного світлових потоків (рис.1.), які в результаті формують відповідну яскравість всередині середовища у точці контролю.

При цьому, розв'язуючи систему рівнянь

 (1)

і враховуючи співвідношення яскравості (випромінюваності) та освітленості (опромінюваності) , де - тілесний кут, отримуємо вираз для яскравості на будь-якій глибині h та довжині хвилі ? у вигляді: Крім того, на основі відомостей про структуру поля випромінювання в шарі дисперсного середовища кінцевої товщини можна виділити чотири світлових режими: приповерхневий (I), перехідний (II); глибинний (III) та придонний (IV) (рис.2). Перший реалізується у приповерхневому шарі, де роль зовнішнього випромінювання у формуванні світлового поля набагато більша, ніж дифузно розсіяного Е_зв/Е_др>>1. Перехідний (II) режим реалізується при умові Е_зв/Е_др1. Глибинний (III) режим існує на значних глибинах при умові Е_зв/Е_др<<1 і визначається не умовами освітлення об'єму середовища, а його оптичними властивостями, тобто, коли яскравість (В) на цій глибині не залежить від азимута, а форма тіл яскравості (об'ємних індикатрис розсіяння) залишається сталою, стаціонарною. І, нарешті, придонний (IV) режим, що характеризується появою складової світла Е_дн, величина якого зростає в результаті наближення до підстилаючої поверхні дисперсного середовища або дна, і яке може як підсилювати, так і послаблювати результуюче поле радіації. При цьому, як показують теоретичні розрахунки та експериментальні результати, найбільш інформативним серед них є глибинний світловий режим.

У глибинному режимі, дійсно, наступає незмінність форми тіла яскравості від надто видовжених до майже колових. При цьому зі зменшенням ймовірності виживання фотона глибина, на якій наступає стаціонарний режим, збільшується, а для дисперсних середовищ різної природи настає за різних глибин, що, в свою чергу, можна пояснити різним розміром часток, їх формою, кількістю на одиницю об'єму, тобто густиною, відстанями між центрами розсіяння, кооперативними ефектами тощо.

Форма тіла яскравості в значній мірі визначається співрозмірністю довжини хвилі падаючого світла і розміром диспергованих часток через параметр дифракції Мі: , де - радіус диспергованих часток, а - довжина хвилі. При цьому, якщо розміри часток набагато менші довжини хвилі зондуючого випромінювання, то тіло яскравості (індикатриса розсіяння) описується відомим симетричним Релеївським профілем індикатриси. У випадку співрозмірності довжини хвилі і розміру часток на тілі яскравості з'являються інтерференційно-дифракційні екстремуми на визначених кутах, а сама індикатриса описується десятикомпонентним рівнянням Хен'ї-Грінстейна:

,

де g_j - коефіцієнти полінома Лежандра.

Також була встановлена кореляційна функція для визначення розподілу часток за розмірами у вигляді гамма-розподілу:

, (4)

а середній параметр дифракції, що відповідає r₃₂, дорівнює:

(5)

де - параметр, що характеризує відносну напівширину функції розподілу; r₀ та - найбільш ймовірні (модальний) радіус та параметр дифракції часток відповідно. Тоді

. (6)

З (4-6) випливає, що показник послаблення для системи великих часток не залежить від модального розміру і параметра напівширини окремо, а однозначно визначається величиною середнього параметра дифракції. Якщо частки значно більші довжини хвилі, то залежність показника розсіювання від л зникає.

Крім того, розроблена математична модель локації за умов глибинного світлового режиму, що визначає контрасти об'єктів різної форми і забарвлення:

, (7)

або (8)

де Г = - безрозмірний глибинний показник послаблення; ф₀ - оптична відстань від спостерігача до предмета; - істинний контраст об'єкта локації.

Отже, розроблені математичні моделі перетворення випромінювання всередині об'єкта контролю за умов глибинного режиму дозволили вперше врахувати ефекти багатократного розсіяння, збільшити контрастність об'єктів локації у мутних середовищах, запропонувати новий метод контролю дисперсності та розробити оптичні засоби для його реалізації.

У третьому розділі представлено структурні схеми оптичних ЗАК та принципи їх роботи (рис.4-5.)

До складу ОЗАК дисперсних середовищ (рис.4) входить: 10 - ємкість, в яку з допомогою насосно-гідравлічної частини - 11 подається досліджуване середовище, 8 - джерело випромінювання, яке з'єднано з системою живлення - 7. До ємкості 10 приєднаний автоматизований кінематичний блок 5, що містить пересувний зонд із зйомним оптичним первинним перетворювачем (призмовим або сфероподібним) - 6, який з'єднаний із фотоелектронним помножувачем та із блоком перетворення фотоструму в частоту - 3, який сполучений із управляючим мікроконтролером первинної обробки інформації - 2, що передає вимірювальну інформацію до ПК - 1, в якій за допомогою програмного забезпечення - 4 відбувається обробка вимірювального інформації.

Система працює наступним чином: за командою із ПК управляючий мікроконтролер 2 за допомогою відповідної програми запускає автоматизований кінематичний блок переміщення зонда 5, після цього зонд із зйомним призмовим оптичним первинним перетворювачем (ЗПОПП) - 6 починає переміщуватися із початкового верхнього положення у нижнє кінцеве положення, поступово заглиблюючись у дисперсне середовище. При цьому зонд робить короткочасні зупинки в певні моменти часу, що визначаються характером експерименту, під час яких проводяться вимірювання безперервного профілю тіл яскравості за допомогою фотоприймача (ФЕП-60), який, в свою чергу, передає сигнал на блок перетворення фотоструму в частоту - 3, а далі формує цифровий сигнал і передає його до пам'яті комп'ютера за допомогою мікроконтролера первинної обробки інформації - 2. Після завершення циклу вимірювань низхідної і висхідної освітленостей операції вимірювання повторюються аналогічно із зйомним сферичним оптичним первинним перетворювачем (ЗСОПП). В цьому випадку вимірюється просторова освітленість. Одержана оптична інформація про стан світлового поля всередині світлорозсіювального середовища заноситься до пам'яті комп'ютера, де узгоджується, обробляється і висвітлюється на екрані монітора у вигляді таблиць, аналітичних або графічних залежностей функцій яскравості: В_z = f(); В_И = f(z); B_z = f(c) тощо, де z - глибина шару середовища, на якій проводилися виміри, що відраховується від поверхні дисперсного середовища; - полярний кут обертання зонда відносно свого початкового положення в межах 0°180°; с - концентрація досліджуваного середовища.

Представлені ОЗАК дозволяють реалізувати новий метод контролю дисперсності, який полягає у вимірюванні яскравості за умов глибинного режиму на фіксованих кутах та визначенні на встановленій довжині хвилі розміру диспергованих часток з урахуванням їх співрозмірності за фактором Мі і на їх основі - дисперсності. Метод автоматизованого контролю дисперсності водно-дисперсних середовищ реалізується наступним чином. В резервуарі наповненому досліджуваним дисперсним середовищем заданої концентрації, яке опромінюється монохроматичним джерелом випромінювання певної довжини хвилі і потужності так, щоб у досліджуваному об'ємі дисперсного середовища наступив глибинний режим, що не залежить від умов опромінення середовища, переміщається в автоматичному режимі зонд із зйомним призмовим оптичним первинним перетворювачем і проводить ряд послідовних вимірювань безперервного профілю тіл яскравості і , які дозволяють отримувати відповідно значення низхідної і висхідної освітленостей в умовах глибинного режиму z в межах 2р. суттєво залежить від оптичної товщини , яка, в свою чергу, зумовлюється концентрацією розчину (с). Чим більша концентрація диспергованих частинок, тим більша оптична товщина і тим менша ймовірність “виживання” фотона . Зміна яскравості В () з глибиною z відбувається за експоненційним законом:

(9)

де - яскравість дослідного середовища на його верхній межі, коли, як правило, z₀=0; z - оптична глибина, на якій встановлюється глибинний режим. Далі використовується аналітичний вираз для дифракційного параметра Мі:

(10)

який характеризує вид безперервних профілів тіл яскравості. При цьому, чим більше значення , тобто чим більше відношення розмірів часток до довжини хвилі, профіль видовжується. Значення вказують на те, що профіль в основному зосереджений в зустрічній області фронту хвилі. При , профілі тіл яскравості сильно витягуються вперед по ходу падіння променів. У випадку, коли довжина хвилі співрозмірна з розміром часток (=, =6,28), спостерігаються різко виражені дифракційно-інтерференційні екстремуми в області кутів зумовлені суперпозицією дифрагованого і відбитого або пройденого світла. При цьому дисперсність :

. (11)

Крім того, за умов глибинного режиму можна експериментально визначити показник послаблення , середній косинус кутів нахилу пучка випромінювання у середовищі, значення питомого показника поглинання елементарного об'єму досліджуваного дисперсного середовища. Знаючи диспергованих часток, можна визначити показник розсіяння за виразом та перевірити їх середній радіус () за виразом: , де n = 1/V - число часток в одиниці об'єму досліджуваного середовища, що еквівалентно об'ємній концентрації розчиненої речовини , де m - маса розчиненої речовини. Відтак, шуканий середній розмір часток водно-дисперсного середовища і відповідна дисперсність з виразу (11) набуде вигляду:

(12)

Основною складовою частиною представлених ОЗАК є оптичні первинні перетворювачі для вимірювання просторової освітленості (сферичний) і для вимірювання низхідної та висхідної освітленості (призмовий). Для них удосконалено математичні моделі перетворення інформативного сигналу. В результаті отримано рівняння перетворення, з допомогою яких при будь-якій структурі освітлення можна з точністю до сталого множника вимірювати відповідні освітленості в заданій точці середовища за умов глибинного режиму, а також уникнути спотворюючого впливу внутрішніх стінок резервуара і підвищити точність отриманих результатів. З урахуванням удосконалених математичних моделей оптичних первинних перетворювачів визначена функція перетворення інформативного сигналу в оптичних ЗАК параметрів водно-дисперсних середовищ. При цьому загальне рівняння перетворення інформативного сигналу в оптичному каналі для вимірювання просторової освітленості:

, (13)

а для вимірювання низхідної і висхідної освітленостей:

, (14)

де - коефіцієнти перетворення відповідних вузлів оптичної схеми ОЗАК.

Для розроблених ОЗАК досліджено метрологічні характеристики вимірювального каналу, проаналізовано похибки вимірювань та оцінено вплив різних факторів на результат автоматизованого контролю на основі варіаційного методу дослідження похибок. У вимірювальному каналі ОЗАК виникають похибки, які вливають на результат вимірювання.

Також в процесі вимірювань і контролю виникають методичні похибки внаслідок недосконалості методу вимірювання, а також інструментальні, що зумовлені властивостями розроблених ОЗАК. Крім того, проаналізовано метрологічні характеристики ОЗАК і отримано близьку до лінійної статичну метрологічну характеристику та відповідну чутливість по діапазону перетворення.

В результаті аналізу випадкових похибок отримано нормальний закон розподілу з нульовим математичним очікуванням. Закон розподілу загальної похибки вимірювання яскравості є композицією законів розподілу похибки квантування, похибки, що зумовлена неточністю встановлення зонда в середовищі та випадковими завадами. Цей закон визначається як згортка законів розподілу складових загальної похибки:

. (15)

Результати аналізу метрологічних характеристик розроблених ОЗАК представлені у табл.1.

Таблиця 1. Основні метрологічні характеристики розроблених ОЗАК

Отже, в результаті аналізу метрологічних характеристик розроблених ОЗАК сумарна похибка, до складу якої входять методична та інструментальна похибки, складає не більше 4,8%, а розроблені ОЗАК є ефективними для реалізації контролю параметрів водно-дисперсних середовищ із задовільною швидкодією.

У четвертому розділі досліджено оптичні характеристики бідистильованої води як зразкового об'єкту контролю, в тому числі: показники екстинкції е та розсіяння mу, а також спектральні коефіцієнти пропускання дистильованої води та ректифікованого етилового спирту у спектральному інтервалі 350-750 нм. Для порівняння проведено комплекс експериментальних досліджень природних водно-дисперсних середовищ і отримано їх спектральні коефіцієнти пропускання.

У зв'язку з поставленою задачею досліджувались також мутні середовища (молочне, каніфольне і мильне), а також модельні дисперсні середовища (поліхлорвініловий латекс - ПХВ і фітолатекс типу ”Rewultex”) із наступними розмірами часток: 0,0087 мкм, 0,0875 мкм, 0,55 мкм, 0,875 мкм і 5,255 мкм. Для довжин хвиль зондуючого опромінення 450нм та 650нм отримані практично аналогічні тіла яскравості, однак з менш вираженими інтерференційно-дифракційними екстремумами в області кутів 30⁰, 60⁰, 100⁰ і 135⁰ та менших розмірів, що пояснюється значно меншим показником розсіяння середовища для вказаних довжин хвиль.

По мірі збільшення розміру часток тіло яскравості поступово зміщується та видовжується в напрямку поширення зондуючого потоку випромінювання. Крім того, для випадку однаковості розмірів часток та довжин хвиль падаючого світла спостерігаються різко виражені дифракційно-інтерференційні екстремуми, зокрема в околі кутів що співпадає з теоретично передбачуваними математичними моделями. Яскравості або індикатриси розсіяння вибраних модельних середовищ у значній мірі адекватні реальним природним об'єктам, таким як вода озерних та морських басейнів і т.д.

Для підтвердження доцільності використання розроблених ОЗАК здійснено експериментальні дослідження локації об'єктів різної форми і контрасту всередині водно-дисперсних середовищ. При цьому за змінами форми тіл яскравості можна встановлювати характер забруднення та форму і контраст об'єктів локації всередині водно-дисперсних середовищ.

Здійснено метрологічний аналіз експериментальних результатів. При цьому на основі значень помилок першого (б) і другого (в) роду оцінено вірогідність експериментальних результатів автоматизованого контролю яскравості водно-дисперсних середовищ. В результаті нижнє граничне значення абсолютної достовірності результатів вимірювального контролю , а умовна достовірність на предмет прийняття правильного рішення , що дозволяє зробити висновок про високий ступінь вірогідності автоматизованого контролю розробленими оптичними засобами і необхідної надійності одержаних з їх допомогою експериментальних результатів.

П'ятий розділ включає рекомендації щодо розроблення оптичної, кінематичної схеми ОЗАК та принципів їх функціонування, а також алгоритмічне забезпечення ОЗАК для управління ними з персонального комп'ютера та відповідне програмне забезпечення. Крім того, для забезпечення роботи ОЗАК в автоматизованому режимі були розроблені електричні принципові схеми блоків вимірювання та управління двигунами на основі мікроконтролерів, представлені у додатках до дисертації.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

На основі виконаних автором досліджень в дисертаційній роботі розвинуті теоретичні, науково-методологічні та метрологічні аспекти проектування ОЗАК параметрів водно-дисперсних середовищ, завдяки чому розв'язана значна науково-технічна задача, яка має важливе народногосподарське значення у справі підвищення ефективності засобів оперативного автоматизованого екологічного контролю водних об'єктів.

Отже, основними науковими і практичними результатами роботи є:

В науково-теоретичному аспекті

Проведено порівняльний аналіз сучасних оптичних методів та засобів контролю водно-дисперсних середовищ і методів розв'язку зворотної задачі оптики світлорозсіяння та обґрунтовано можливість її розв'язання з допомогою оптичних засобів автоматизованого контролю за умов глибинного режиму.

Удосконалено математичні моделі перетворення випромінювання в водно-дисперсному середовищі за умов приповерхневого, перехідного, глибинного і придонного режимів, які дозволяють враховувати специфіку зміни світлового поля всередині об'єкту контролю та підвищити вірогідність контролю інформативних параметрів.

Розроблено математичні моделі перетворення випромінювання сферичним (для вимірювання просторової освітленості ) та призмовим оптичними первинними перетворювачами (для вимірювання низхідної та висхідної освітленостей) під час автоматизованого контролю водно-дисперсних середовищ; вперше введені відповідні критерії, що дозволило покращити їх оптико-геометричні, енергетичні та метрологічні характеристики.

Удосконалено математичну модель локації об'єктів в дисперсному середовищі за умов глибинного світлового режиму, що дозволяє збільшити контрастність об'єктів локації під час виявлення реальних об'єктів у мутних водно-дисперсних середовищах.

Проаналізовано та досліджено математичні моделі і форми індикатрис розсіяння модельних та реальних природних водно-дисперсних середовищ з різними розмірами диспергованих часток, що дозволило запропонувати метод контролю їх дисперсності.

Вперше розроблено метод контролю дисперсності на встановленій довжині хвилі зондуючого випромінювання, суть якого полягає у визначенні розміру диспергованих часток і відповідної дисперсності на основі виміряних значень яскравості на фіксованих кутах повороту оптичного зонда в глибинному режимі при наявності інтерференційно-дифракційних екстремумів на профілі тіла яскравості, що дозволило на відміну від аналогів підвищити вірогідність контролю дисперсності водно-дисперсних середовищ.

Отримані аналітичні залежності для оцінки статичних метрологічних характеристик розроблених оптичних засобів автоматизованого контролю, які дозволили виділити основні складові інструментальної та методичної похибок (похибка АЦП, похибка від впливу кооперативних та розсіювальних ефектів, похибка дії інших впливів) та знайдено відповідну композицію законів розподілу, що дозволило оцінити вірогідність контролю параметрів водно-дисперсних середовищ. При цьому сумарна похибка складає не більше 4,8 %.

В підтвердження розроблених математичних моделей розсіяння випромінювання проведено експериментальні дослідження модельних та реальних природних водно-дисперсних середовищ з різним розміром диспергованих часток. На основі розрахованих значень помилок 1-го і 2-го роду оцінена достовірність, що складає 0,957, та дозволяє зробити висновок про високий ступінь вірогідності автоматизованого контролю розробленими оптичними засобами і необхідної надійності одержаних з їх допомогою експериментальних результатів.

В результаті теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень вперше виявлено деякі фундаментальні ефекти в реальних водно-дисперсних середовищах, зокрема наявність в тілах яскравості інтерференційно-дифракційних екстремумів на фіксованих кутах 30⁰, 60⁰, 100⁰, 135⁰ за умови співрозмірності довжини хвилі і середнього розміру диспергованих часток, що вдосконалює теорію переносу випромінювання неоднорідних середовищ та підтверджує доцільність застосування розроблених ОЗАК.

В науково-практичному аспекті

1. Розроблено структурні схеми ОЗАК та рекомендації щодо практичного їх використання, а також експериментальну методику контролю оптичних параметрів і локації водно-дисперсних середовищ, оптичну та кінематичну схему ОЗАК, що дозволяють значно підвищити швидкодію та точність визначення інформативного параметру за умов глибинного режиму. При цьому кінематична схема ОЗАК може в залежності від задач дослідження переміщувати оптичний зонд за трьома ступенями свободи всередині дисперсного середовища, а оптична схема включає застосування первинних перетворювачів (сферичного та призмового) з уніфікованими метрологічними характеристиками.

2. Розроблено управляючий контролер для зчитування даних із ФЕП та керування кінематичною схемою переміщення пересувного оптичного зонда всередині водно-дисперсного середовища для їх контролю та локації, що дає змогу в автоматизованому режимі експресно здійснювати контроль дисперсності та локацію забруднень.

3. Розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення для зчитування даних і управління засобом автоматизованого контролю та локації водно-дисперсних середовищ, яка дозволяє в автоматизованому режимі здійснювати вимірювання показника розсіювання в різних точках об'єкту контролю, на основі якого будуються безперервні профілі індикатрис розсіювання та тіл яскравості штучних і природних водно-дисперсних середовищ і визначаються середні розміри диспергованих часток та дисперсність.

4. Розроблені ОЗАК метрологічно атестовані державним підприємством “Всеукраїнський державний науково-виробничий центр стандартизації, метрології, сертифікації та захисту прав споживачів”, а технічні рішення щодо ОЗАК захищені патентом України №67209А, представлені у додатках до дисертації.

5. Впроваджені ОЗАК рекомендовані для автоматизованого контролю забруднення водно-дисперсних середовищ в екологічному моніторингу довкілля, розв'язання задач контролю дисперсності і середнього розміру часток у харчовій (молокопереробній) та хімічній промисловостях, в задачах наукового та моніторингового характеру в галузі гідрооптики, оптичної локації та спектрофотометрії дисперсних середовищ, а також в процес дипломного і курсового проектування у Вінницькому національному технічному університеті та ін.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сучасні технології знешкодження непридатних пестицидів. Монографія / Петрук В.Г., Яворська О.Г., Васильківський І.В., Ранський А.П. та ін. - Вінниця: Універсум-Вінниця, 2003. - 254 с.

2. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Смолінський Є.С., Поджаренко В.О. До питання комплексного вимірювання та визначення важливих оптико-фізичних функцій неоднорідних середовищ за допомогою метода інтегрувального резонатора // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 1994. - №2(3). - С.8-15.

3. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Гаркушевський В.С. Математична модель трансформації випромінювання дисперсним середовищем в умовах глибинного режиму // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2001. - №2. - С.164-170.

4. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Смолінський С.Є. Методика спектроаналітичного вимірювального контролю оптичних параметрів дисперсних середовищ за методом глибинного режиму // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2002. - № 6.- С.102-108.

5. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Кватернюк С.М. Оптична контрольно-вимірювальна система для екологічного моніторингу водних об'єктів // Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - Т.1. №4. - С.204-208.

6. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Турчик П..М. Автоматизована система контролю за процесом відстоювання дисперсних середовищ // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2004. - №1(52) - С.7-10.

7. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Іщенко В.А. Методи контролю дисперсних (мутних) середовищ для екологічного моніторингу // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2003. - №6(51).- С.192-195.

8. Петрук В.Г., Ранський А.П., Сандомирський О.В., Васильківський І.В., Петрук Г.Д. Реагентна переробка та хроматографічний контроль вторинних розчинів пестициду фентіурам // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2004. № 3(54). - С.68-74.

9. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Томчук М.А. Вимірювальний контроль дисперсності неоднорідних середовищ за допомогою індикатрис розсіяння // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. Київ: КНУТД. - Випуск №11. - 2002. - С.16-19.

10. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Солоненко В.І. Моделювальна автоматизована система для вимірювального контролю оптичних параметрів дисперсних середовищ // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмельницький: ТУП. - Т.1, 2002. - С.222-226.

11. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Томчук М.А., Гречанюк Є.В. Оптична інформаційно-вимірювальна система для діагностування водно-дисперсних середовищ // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. - Київ: КНУТД. - №12. - 2002. - С.145-149.

12. Патент України, МПК₇ G01N 15/02. Спосіб для визначення середнього розміру диспергованих часток та пристрій для його реалізації / Петрук В.Г., Васильківський І.В., Петрук Г.Д. - №67209А; Заявл. 11.08.2003; "Промислова власність" Держпатенту України. - Опубл. 15.06.2004; Бюл. №6. - 16 с.

13. V.G.Petruk, I.V. Vasylkivkyj. Interactive system of the measuring control of optical parameters of dispersed hydrological environments. Ecological and hydrometeorological problems of the large cities and industrial zones. Material of international conference 15-17 October 2002. - Saint-Petersburg.: RSHU. - P.105-106.

14. Petruk Vasil G., Vasylkivkyj Igor V., Ishenko Vitalij A. Spectrophotometric system of the water resource's control and location. Materials II international ecological conferences "Water-gift of a nature". - Kielce, June 6-7, 2005. - P. 11-14.

15. Петрук В. Г., Васильківський І. В., Іщенко В.А. Автоматизована система контролю за процесом відстоювання дисперсних стічних вод // ІІ МНПК “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів”. - Дніпропетровськ. - 2003. - С.292-293.

16. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Томчук М.А. Оптико-електронна система моделювання локацій мутних природних середовищ // МНТК ”Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології”. - Вінниця: ВДТУ. - C.155.

17. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Арсенюк І.Р. Спектрофотометрія дисперсних властивостей молока і молокопродуктів // Тези доповідей VII МНТК “КУСС-2003”. - Вінниця: “Універсум-Вінниця”, 2003. - С.76.

18. Петрук В.Г., Васильківський І.В. Дослідження оптико-фізичних характеристик дисперсних систем в процесі контролю навколишнього середовища // МНТК “Регіон 2003: стратегія оптимального розвитку”. - Харків, 2003. - С.256-257.

19. Петрук В.Г., Іщенко В.А., Васильківський І.В., Турчик П.М. Новий фотометричний спосіб вимірювання мутності виноматеріалів // Матеріали ІІІ МНК по оптоелектронним інформаційним технологіям "PHOTONICS-ODS 2005". - Вінниця, 2005. - С.214-215.

20. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Кватернюк С.М., Іщенко В.А. Дослідження оптичних характеристик водно-дисперсних систем // Матеріали ІІІ МНК по оптоелектронним інформаційним технологіям "PHOTONICS-ODS 2005". - Вінниця, 2005. - С.216-217.

21. Петрук В.Г., Васильківський І.В., Кватернюк С.М. Спектрофотометричний контроль дисперсності домішок у неоднорідних водних середовищах // Матеріали VIІІ МНК “Контроль і управління в складних системах” КУСС-2005. - Вінниця, 2005. - С.55.

Размещено на Allbest.ru