Розробка калориметричного вимірювача потужності колимованого оптичного випромінювання - Дипломная работа

1.1.1.1 Основні типи сучасних лазерів і тенденції їх розвитку 1.1.2 Калориметричні методи вимірювання потужності лазерного випромінювання 1.1.3 Сучасний стан еталонної бази України в галузі вимірювань енергетичних характеристик лазерного випромінювання2.2 Підстава для розробки Розробка Та ДОСЛІДЖЕННЯ КАЛОРИМЕТРИЧНОГО ВИМІРЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ 3.1 Обгрунтування конструкції калориметричного вимірювача 3.1.1 Вибір типа калориметричного вимірювача4.1 Задачі розділу 4.2 Аналіз умов праці у відділі проектування 4.3 Розробка організаційних і технічних заходів з охорони праці5.2 Розрахунок витрат на розробку виробуЗАКІНЧЕННЯАргоновий лазер генерує випромінювання потужністю до 10 Вт, а лазери на парах металів до 100 Вт. Лазер на вуглекислому газі має найвищу вихідну потужність серед газових лазерів до 100 КВТ в безперервному режимі. Серійно випускаються лазери потужністю від 1 до 100 Вт, з довжиною оптоволокна до 40 м і ККД близько 50 %, що генерують в ближній ІЧ області Такі лазери з потужностями до 20 КВТ складають зараз абсолютну більшість серед машин, використовуваних для різання, зварки і термообробки, і серійно випускаються в Европі, в США і в Японії. Калориметричні методи вимірювання потужності оптичного випромінювання використовують перетворення електромагнітної енергії випромінювання на теплову, що викликає або підвищення температури приймального елементу ПВП унаслідок термічного ефекту, або певну зміну фазового стану матеріалу приймального елементу.Проведений аналітичний огляд дозволяє зробити наступні висновки: у високотехнологічному виробництві все більш широко застосовуються сучасні потужні лазери, а тому проблема контролю енергетичних характеристик лазерного випромінювання високих рівнів стає усе більш актуальною;2.1 Найменування і область застосування 2.2 Підстава для розробкиСереднє квадратичне відхилення коефіцієнта перетворювання вимірювача при калібруванні електричною потужністю відповідає вимогам до вимірювача згідно ТЗ. Визначення коефіцієнта поглинання Кп вимірювача. Показники, що оцінюються та розрахункові співвідношення. , де Фпад потік випромінювання, що входить у порожнину приймального елемента; Фвід потік випромінювання, що виходить із неї назад крізь вхідний отвір.Коефіцієнт поглинання Кп дорівнює 0,99968, що відповідає вимогам до вимірювача згідно ТЗ.Проведене метрологічне дослідження розробленого вимірювача дає змогу зробити висновок, що метрологичні характеристики вимірювача знаходяться у межах похибки, яка задана в ТЗ.Всі правові питання охорони праці вирішуються на основі Конституції України, яка гарантує, що держава піклується про поліпшення умов праці, ії наукової організації і безпеки [50]. Крім того, до складу нормативноправових актів про охорону праці входять Закон України "Про охорону праці", Кодекс законів про працю України, Закон України "Про загальнообовязкове державне соціальне страхування від нещасного випадку на виробництві та професійного захворювання, які спричинили втрату працездатності" та прийняті відповідно до них підзаконні акти [51]. комплексне розвязання завдань охорони праці на основі загальнодержавної, галузевих, регіональних програм з цього питання та з урахуванням інших напрямів економічної і соціальної політики, досягнень в галузі науки і техніки та охорони довкілля; ЭТОТ КУСОК НЕ ДАЕТ РАСШИРЯТЬ соціальний захист працівників, повне відшкодування шкоди особам, які потерпіли від нещасних випадків на виробництві та професійних захворювань; адаптація трудових процесів до можливостей працівника з урахуванням його здоровя та психологічного стану; ЭТОТ КУСОК НЕ ДАЕТ СДВИГ використання економічних методів управління охороною праці, участі держави у фінансуванні заходів щодо охорони праці, залучення добровільних внесків та інших надходжень на ці цілі, отримання яких не суперечить законодавству; ЄТОТ ТЕКСТ НЕ ДАЕТ СДВИГАТЬ ТЕКСТ АВТ інформування населення, проведення навчання, професійної підготовки і підвищення кваліфікації працівників з питань охорони праці; ЄТОТ ТЕКСТ забезпечення координації діяльності органів державної влади, установ, організацій та обєднань громадян, що розвязують проблеми охорони здоровя, гігієни та безпеки праці, а також співробітництва і проведення консультацій між роботодавцями та працівниками (їх представниками), між усіма соціальними групами під час прийняття рішень з охорони праці на місцевому та державному рівнях; ЭТОТ КУСОК НЕ ДАЕТ ВОЗМО використання світового досвіду організації роботи щодо поліпшення умов і підвищення безпеки праці на основі міжнародного співробітництва. Згідно вимогам керівних документів і змісту виконуваних робіт лабораторне приміщення повинно відповідати нормам ДБН В.2.2999, ДСН 3.3.6.04299 і СНИП 2.04.0586 по мікроклімату [53, 54], нормам ДБН В 2.5282006 по освітленості [55], нормам ДСАНПІН 3.3.2.00798 по електромагнитному випромінюванню [56], нормам ДСН 3.3.6.03799 по виробничому шуму [57], нормам ГОСТ 12.1.00588 за змістом шкідливих речовин в повітрі робочої зони [58], нормам ГОСТ 12.1.00976, ГОС

ЗМІСТ

Перелік скорочень

ВСТУП

1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Сучасний стан проблеми вимірювання енергетичних характеристик лазерного випромінювання

ЗАКІНЧЕННЯПроведений аналітичний огляд дозволяє зробити наступні висновки: у високотехнологічному виробництві все більш широко застосовуються сучасні потужні лазери, а тому проблема контролю енергетичних характеристик лазерного випромінювання високих рівнів стає усе більш актуальною;

одним з найбільш перспективних перетворювачів випромінювання для використання в апаратурі державних еталонів є калориметричний вимірювач, який забезпечує абсолютне вимірювання потужності лазерного випромінювання;

одним з принциповіх шляхів подовження шкали одиниць у бік великих рівнів випромінювання є розробка вимірювача, який має розширений робочий діапазон потужностей, що вимірюються.Середнє квадратичне відхилення коефіцієнта перетворювання вимірювача при калібруванні електричною потужністю відповідає вимогам до вимірювача згідно ТЗ.

3.4.2 Результати дослідження стабільності коефіцієнта поглинання

1. Обєкт дослідження.

Обєктом досліджень є розроблений вимірювач.

2. Мета дослідження.

Визначення коефіцієнта поглинання Кп вимірювача.

3. Показники, що оцінюються та розрахункові співвідношення.

3.1. Показником, що оцінюється є коефіцієнт поглинання Кп.

3.2. Розрахунковим співвідношенням є

IMG_572e013b-cb7b-4191-b9ef-ead56229e7cf

, де Фпад потік випромінювання, що входить у порожнину приймального елемента; Фвід потік випромінювання, що виходить із неї назад крізь вхідний отвір.

4. Умови проведення досліджень.

Вимірювання здійснювались у лабораторних умовах при температурі довкілля 20 ЄС.

5. Результати вимірювань параметрів вимірювача.

Кп =0,99968

СКВ 0,00099 %Коефіцієнт поглинання Кп дорівнює 0,99968, що відповідає вимогам до вимірювача згідно ТЗ.Проведене метрологічне дослідження розробленого вимірювача дає змогу зробити висновок, що метрологичні характеристики вимірювача знаходяться у межах похибки, яка задана в ТЗ.

Таким чином, мета розробки вимірювача досягнута повністю.

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ

ГДР гранично допустимий рівень;

ЗВ засоби вимірювання;

ЗЗВ зразковий засіб вимірювання;

ІЧ інфрачервоний;

ККД коефіцієнт корисної дії;

НАНУ Національна Академія Наук України;

НСП невиключена систематична похибка;

ПВП первинний вимірювальний перетворювач;

ПЕОМ персональна електроннообчислювальна машина;

СІ міжнародна система одиниць;

СКВ середньоквадратичне відхилення;

СП середня потужність;

ТЗ технічне завдання;

УФ ультрафіолетовий;

ВСТУП

Вимірювання оптичного випромінювання є одним з поширених і важливих видів вимірювань. Особливо важливий і актуальний цей вид вимірювань в цей час, коли в багатьох галузях людської діяльності широко застосовуються лазерні джерела оптичного випромінювання.

Сучасні лазери характеризуються енергією випромінювання в діапазоні від ~ 106 Дж до тисяч Джоулів, потужність випромінювання змінюється від одиниць НАНОВАТІВ до сотень КІЛОВАТІВ в безперервному режимі роботи, і до тисяч МЕГАВАТІВ пікової потужності в імпульсному режимі. Тривалість імпульсів випромінювання лазерів міняється від одиниць фемтосекунд до безперервного випромінювання, спектральний діапазон тягнеться від крайнього ультрафіолету до області субміліметрових довжин хвиль, а розбіжність випромінювання варіює від одиниць кутових хвилин до майже 180 є.

Вимірювання параметрів лазерного випромінювання в процесі виробництва і експлуатації лазерних джерел є складним завданням, оскільки широкі діапазони зміни енергетичних, спектральних, часових і просторових характеристик лазерного випромінювання, а також розмаїття завдань, що вирішуються апаратурою на основі лазерів, не дозволяють обмежитися якимнебудь одним методом вимірювання або єдиною конструкцією вимірювального приладу. Постійне вдосконалення характеристик лазерів, що існують, і розробка нових типів лазерів, а також освоєння нових областей їх використання вимагають безперервного удосконалення контрольновимірювальної апаратури. У звязку з цим поліпшення характеристик вимірювачів параметрів лазерного випромінювання завжди є актуальним завданням.

З метрологічної точки зору для забезпечення єдності і правильності вимірювань потужності лазерного випромінювання необхідно мати в своєму розпорядженні методи і зразкові засоби відтворення одиниці вимірювання потужності Вата через величини основних одиниць системи SI, що відтворені Державними еталонами одиниць. Необхідно також мати в своєму розпорядженні систему методів і парк вимірювальних приладів для практичних вимірювань у всьому динамічному, спектральному, часовому і просторовому діапазонах, характерних для сучасних лазерів.

Для лазерів промислового призначення найбільш важливими є енергетичні характеристики, контроль яких необхідний для дотримання технологічних режимів виробництва. Але великі потужності і висока густина енергії випромінювання сучасних технологічних лазерів суттєво утрудняють конструювання контрольновимірювальної апаратури. Вирішувати це завдання допомагає пошук нових матеріалів, стійких до впливу потоку потужного випромінювання, і розробка нових методів і засобив вимірювань.

Основою метрологічного забезпечення оптичних вимірювань є еталонна база країни, центральну ланку якої складають державні еталони. Державні еталони це унікальні фізичні установки, створені на основі новітніх технологій і науковотехнічних розробок, які відтворюють і зберігають розмір одиниці якоїнебудь фізичної величини.

Обовязковою умовою зберігання і передачі розміру одиниці є систематичне дослідження стабільності та модернізація характеристик апаратури державного еталону в процесі його експлуатації. Такі роботи ведуться, зокрема, і для державного спеціального еталона одиниць середньої потужності лазерного випромінювання та енергії імпульсного лазерного випромінювання (ДПЕ СП та Е). Головним напрямком модернізації цього еталону є подовження шкали одиниць, що відтворюються, в діапазон великих рівней.

До спеціфікі калоріметрічного вимірювача еталону належить віднести необхідність роботи при рівнях потужності ~ 1 Вт, тому для подовження шкали одиниць у бік великих рівней необхідна розробка нового вимірювача.

Завданням цього дипломного проекту є розробка та дослідження макету калоріметрічного вимірювача потужности лазерного випромінювання з метою подальшого використання отриманих результатів для модернізації апаратури ДПЕ СП і Е.2.5 Технічні вимоги

Призначення приладу контроль рівня потужності безперервного випромінювання промислових технологічних лазерів.

Діапазон вимірюваних потужностей 10 .... 300 Вт;

Спектральний діапазон 0,4 .... 10,6 мкм;

Максимальний діаметр вимірюваного лазерного пучка 20 мм;

Допустима густина потужності випромінювання 300 Вт/см2;

Межа основної відносної похибки, що припускається, 0,5 %;

Діапазон робочих температур 10 .... 35 ЄС.

Додаткова температурна похибка, не більш 1 %;

Живлення мережа 220 В, 50 Гц;

3. Розробка Та ДОСЛІДЖЕННЯ КАЛОРИМЕТРИЧНОГО ВИМІРЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ

3.1 Обгрунтування конструкції калориметричного вимірювача

Найбільш важливою проблемою при розробці будьякого вимірювального засобу є забезпечення заданої похибки вимірювання. Аналіз похибок калориметричного вимірювача потужності лазерного випромінювання є складною фізичною задачею, що вимагає строгого обліку особливостей оптичних, теплових і електричних процесів, що протікають у вимірювачі.

Основними фізичними процесами в калориметричному вимірювачі є: поглинання вимірюваного потоку оптичного випромінювання в приймальному елементі вимірювача;

теплообмін приймального елементу вимірювача з довкіллям;

нагрів приймального елементу калібрувальним тепловим потоком.

Вибираючи типа калориметра і приймального елементу і варіюючи параметри елементів конструкції, необхідно вирішити наступні основні завдання: забезпечити повне, або неповне, але добре контрольоване, поглинання вимірюваного потоку оптичного випромінювання в приймальному елементі вимірювача;

повністю виключити, або добре контролювати, теплообмін приймального елементу вимірювача з довкіллям;

забезпечити еквівалентність нагріву приймального елементу вимірюваним потоком оптичного випромінювання і калібрувальним тепловим потоком.

3.1.1 Вибір типа калориметричного вимірювача