Влияние гидростатического давления на оптические параметры оптоволоконных кабелей калибровочной системы нейтринного телескопа

БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ.

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО- СТРОИТЕЛЬНЫЙ.

КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ТАУ

ТЕМА:

Влияние гидростатического давления на оптические параметры оптоволоконных кабелей калибровочной системы нейтринного телескопа

НТ-200

Выполнил студент гр. УИТ-43

Колесников И. А.

Принял

Скоробогатова Т.Н.

2004

Введение

Байкальский нейтринный телескоп НТ-200 расположен в южной части озера Байкал на глубине 1150 м и на расстоянии 3.6 км от берега. Телескоп физический пуск, которого состоялся в начале апреля 1998 г., состоит из 192 оптических модулей, установленных на  8 гирляндах. Каждая гирлянда состоит из 24 оптических модулей закрепленных попарно на геофизическом бронированном кабель-тросе КГ-7-60. Выходные сигналы оптических модулей, объединенные в пары, включаются на совпадение во временном окне 15 нс. Такая пара оптических модулей образует единый оптический канал телескопа. Высота каждой гирлянды составляет 70 м. Семь гирлянд закрепляются в вершинах гептагона (фигуры, образующиеся в горизонтальной проекции телескопа) с помощью горизонтальных штанг, выполненных  из композиционных материалов. Восьмая гирлянда крепится в геометрическом центре гептогона. Периферийные гирлянды отстоят от центральной гирлянды на 21.5 м и на 16.5 м друг от друга. В состав НТ-200 входит система, предназначенная для временной калибровки  телескопа и состоящая из двух идентичных лазерных модулей. Каждый модуль содержит азотный лазер, излучающий на длине волны 337 нм, и лазер на красителе, преобразующий излучения азотного лазера в излучения, спектр которого достигает максимума на длине волны 470 нм. Оба лазера закреплены на единой металлической платформе вместе с источником питания и управляющей микропроцессорной системой и помещены в защитный глубоководный корпус лазерного модуля, изготовленный из боросиликатного стекла толщиной 1 см. Длительность светового импульса лазерных модулей меньше 1 нс. Система оптоволоконных кабелей состоит из 96 пластиковых оптоволоконных кабелей одинаковой длины 130 м марки ser 1v . Кабели разделены на 8 групп по 12 кабелей в группе. Все оптоволоконные кабели объединены на одном конце в планшайбу. Такая конструкция позволяет обеспечить равномерную засветку оптических модулей, составляющих канал.

Таким образом, оптоволоконные кабели телескопа работают под абсолютным  гидростатическим давлением  111.5-118.5 атм., что соответствуют глубинам 1115-1185 м, и при разности давлений вдоль кабеля до 7 атм. (10 м толщины воды соответствуют давлению 1 атм.) при температуре 3⁰С. Учитывая такие условия необходимо изучить влияния давления и его градиента на оптические параметры оптоволоконных кабелей, такие как время распространения и время затухания наносекундных световых сигналов. Оптоволоконные кабели в гирлянде разводятся на разные уровни по глубине. Это обстоятельство, возможно, является причиной разных значений задержек субнаносекундных световых импульсов лазерного модуля в оптоволоконных кабелях телескопа. Для изучения этого влияния исследовалась зависимость времени распространения и ослабления оптического сигнала в оптоволоконных кабелях НТ-200 от окружающего давления. Измерения проводились в камере гидростатического давления Бременского университета (Германия). Световые импульсы длительностью 1 нс. проходят через исследуемый оптоволоконный кабель и попадают на фотокатод быстрого фотоэлектронного умножителя (Ф.Э.У) ХР2020. Время задержки светового сигнала в оптоволоконном кабеле и амплитуда сигнала измерялись при помощи аналогового осциллографа с точностью 0.1 нс. Измерялся временной интервал между синхронизирующими импульсами источника света и выходными  импульсами Ф.Э.У обусловленными световыми импульсами источника света. Измеренное время пролета фотоэлектронов в ХР2020 составило 30нс и учитывалось при  измерении времени распространения светового сигнала в оптоволоконных кабелях. Давления измерялось в диапазоне 0-150 атм. с шагом 10 атм. Измерения проводились после 20 мин выдержки при каждом фиксированном давлении.

I ЧАСТЬ

Принципиальная функциональная схема.

 

2

                                                                                                                                                                                          

 

Влияние гидростатического давления на оптические параметры оптоволоконных кабелей калибровочной системы нейтринного телескопа НТ-200

1.Источник наносекундных световых импульсов.

2.Ф.Э.У. ХР2020

3.Исследуемый оптоволоконный кабель.

4.Аналоговый осциллограф 2465В.

5.Соединительные кабели.

6.Герметичный переходный блок.

7.Камера гидростатического давления.

8.Компрессор.

Структурная схема исследуемой системы.

 

ЗУ- задающие устройство

ОУ- объект управления

КУ- корректирующие устройство

Д- датчик

Передаточные функции исследуемой системы.

 

ЛАЧХ ,ЛФЧХ

Из графика видно что годограф не охватывает точку (-1, j0) следовательно система по этому критерию является устойчивой.

III Часть

Преобразование нелинейной системы

В качестве нелинейного элемента в системе используется трехпозиционное реле со статической характеристикой рис. 1

 

Рис. 1. Статическая характеристика нелинейного элемента.

Где: b=4; c=2

Из статической характеристики следует:

      

Для построения фазового портрета упростим структурную схему нелинейной СУ. Для этого сгруппируем все линейные звенья системы и нелинейные.

 

Разомкнем систему перед нелинейным элементом, перенося на новый вход системы регулирующее воздействие. Получим следующую структурную схему:

 

 

Получаем передаточную функцию линейной части.

W(p)=[1-W₃(p)]W₂(p)W₄(p)W₁(p)

Упростим передаточную функцию:

Перемножим знаменатель:

=(49p³+6000p²+1000p+980p²+120000p+

200000)*(3p+5)=147p⁴+245p³+18000p³+30000p²+3000p²+5000p+2940p³+

+4900p²+360000p²+600000p+600000p+1000000=147p⁴+21185p³+397900p²+

+1205000p+1000000

Вынесем  в числителе за скобки  -4,5·10⁶, а в знаменателе 1·10⁶. Далее пренебрегая всеми значениями меньшими 10^-3 порядка, получим следующее выражение для передаточной функции:

Окончательное выражение для передаточной функции:

Анализ и определение устойчивости СУ.

По полученному фазовому портрету проводим анализ устойчивости СУ. При этом видно, что система является устойчивой, т.к.  фазовая траектория при выводе ее в точку М₀ (-5;0) приближается к началу координат. В последствии фазовая линия пересечет ось  на отрезке (–с, с) соответствующем зоне нечувствительности. Система не подвержена автоколебаниям.

Качество управления СУ, о котором можно судить по виду фазового портрета, является удовлетворительным и не требует дополнительной коррекции.

Список литературы.

1. Теория автоматического управления/ Под ред. А.В. Нетушила. – М.: высшая школа, 1977. – 519 с.: ил.

2. Основы автоматического регулирования/ Под ред. В.С. Пугачева. – М.: Наука, 1974. – 720 с.: ил.

3. Самоучитель MathCad 11 Кирьянов Д.В.. – СПб.: БХВ – Петербург, 2003. – 560с.