авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ,

МЕТРОЛОГИЯ

И ИНФОРМАЦИОННО-

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

И СИСТЕМЫ

С. С. КОЛМОГОРОВА

УДК 624.37.328

С. В. БИРЮКОВ

Омский государственный технический университет КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ СФЕРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ В статье описываются конструктивные особенности изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля, приводятся результаты моделирования и анализ взаимодействия датчика с полями различных источников.

Ключевые слова: электростатическое поле, напряженность, сферический датчик, неоднородность.

При анализе работы изотропных трехкоординат- На примере полей различной неоднородности, ных электроиндукционных сферических датчиков вблизи источников которых помещается ИТЭСД, (ИТЭСД) напряженности электростатического поля необходимо показать, в каких пределах можно по (ЭП) [1, 2] возникает необходимость в определении лучить измеряемые величины с точки зрения мини распределения напряженности ЭП на проводящей мума погрешности.

поверхности датчика. Любое проводящее тело, вне- Датчик (ИТЭСД) [1] напряженности электроста сенное в ЭП, искажает его. В связи с этим датчик тического поля (рис. 1) состоит из полой проводящей преобразовывает уже «искаженное» ЭП, что явля- сферы радиуса R, на поверхности которой располо ется причиной возникновения погрешности изме- жены три пары диаметрально противоположных рения напряженности ЭП. И чем сильнее искажения, круглых окон. Каждая пара круглых окон располо тем больше погрешность измерения. жена на соответствующих координатных осях X, Y, Z ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) а б Рис. 1. Конструкция ИТЭСД (прозрачное изображение датчика использовано для удобства представления его внутреннего исполнения):

1 — ось датчика;

2 — защитный кожух;

3 — чувствительный элемент;

4 — вращающийся челнок, на котором расположены чувствительные элементы;

5 — круглые окна;

а — внешний вид конструкции ИТЭСД, б — конструктивная модель ИТЭСД с тремя парами отверстий (H1–Н6) по осям X, Y, Z относительно оси Z с радиусом rок. Внутри сферы расположен вращаю щийся на валу челнок. Ось вала или «ось датчика»

проходит через центр сферы и располагается на равных угловых расстояниях от координатных осей круглых окон. На челноке изолированно друг от друга находятся три пары диаметрально противопо ложных проводящих сферических чувствительных элементов (ЧЭ) S1–S2, S3–S4 и S5–S6, радиусы кото рых совпадают с радиусами окон rок=rЧЭ (H1, H2, H3, H4, H5, H6). ЧЭ в общем случае выполняются в форме сферического сегмента, с внешним угловым разме- Рис. 2. Схематическое изображение сферического датчика ром q0, являющимся его конструктивным парамет- относительно некоторого источника поля ром. ЧЭ располагаются по трем ортогональным осям с указанием направления оси сферического датчика Z, X, Y, Z декартовой системы координат, начало где d — расстояние от источника ЭП до центра сферического датчика;

которой совпадает с центром сферы.

R — радиус сферического датчика;

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Измерение напряженности ЭП с помощью q — широтный угол сферической системы координат ИТЭСД предполагается в условиях высоковольтных изоляторов, вводов-выводов, линий электропередач и высоковольтных подстанций, а также вблизи различного рода проводящих конструкций. Поэтому 1 a 1 целесообразно смоделировать ЭП различной неод- E r () = 1 E0. (2) a 1 2a cos + 2a нородности. В качестве источников таких ЭП выбе рем электрические поля точечного заряда, диполя и В поле электрического диполя, расположенного заряженной проводящей линии и рассмотрим вза на одной оси со сферическим датчиком [4]:

имодействие ИТЭСД с полями этих источников.

Для анализа вносимых искажений будем рассмат- c ривать ИТЭСД в ЭП как изолированную сферу, а датчик называть сферическим. Er () = E0 2ac Согласно [3–5] для различных источников полей можно рассчитать возмущение поля, вызванное вне сением сферического датчика. Пусть сферический c 1+ + c a датчик (рис. 1б) расположим по отношению к источ- нику поля так, как изображено на рис. 2. В качестве 1 + с c источника поля будем рассматривать точечный за (1 + 4 + c + a 2a cos ряд, электрический диполь, заряженную линию. Для изолированной проводящей сферы нормаль ная составляющая напряженности ЭП Er в одно родном поле будет определяться выражением [3]: c2 1+ c a с +. (3) с (1) Er(и)=–3E0cos(и). 1 с 2 c (1 + 4 c + a 2a cos 230 В поле точечного источника [3]:

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) a б в Рис. 3. Графики зависимости нормальной составляющей напряженности ЭП на поверхности сферического датчика в:

а) поле точечного источника б) поле электрического диполя;

в) поле линейного источника В поле линейного источника [5]:

1 + c E r () = E 0 2ac ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ + arctg ( l / d) ® aectg ( l / d) cos (1 + a cos() 2 1 a 2 cos() ® d.

(4) 2a cos cos( )3 / 2 cos Рис. 4. Силовые линии потенциала однородного поля В формулах (1–4): а=R/d — относительное рас- при внесении в него модели изолированного сферического датчика стояние;

R — радиус корпуса сферического датчика;

d — расстояние от центра датчика до источника поля;

с=l/d, l — длина линии в случае с полем ли нейного источника или расстояние между точеч- строить в любой плоскости векторы напряженности ными источниками в случае поля электрического ЭП в различных расчетных областях, а также рас диполя;

t — линейным зарядом постоянной плот- пределение напряженности ЭП вблизи проводящих ности;

q — широтный угол сферической системы поверхностей.

координат от оси z;

y — угол между центром сферы С помощью программы Elcut, базирующийся на и элементарным зарядом на линии. принципе МКЭ (метод конечных элементов), позво Выражения (1–4) были промоделированы с помо- ляющая рассчитывать ЭП с высокой точностью.

щью математического пакета Mathcad. В результате С использованием Elcut произведено моделирование математического моделирования были получены изолированного сферического датчика в полях следующие графические зависимости нормирован- различных источников ЭП, результаты которого ного значения нормальной составляющей напряжен- представлены на рис. 4–8. В качестве окружающей ности Er(q,a)/E0, представленные на рис. 3. среды выступает воздух.

Графическое моделирование дает наглядную кар- В связи с отсутствием математического выра тину изменения электрического поля позволяет по- жения нормальной составляющей напряженность ЭП ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) а б Рис. 5. Модель изолированного сферического датчика в поле точки.

Силовые линии потенциала поля точечного заряда, рассчитанные в приложении Elcut.

Показатель неоднородности: а — а =1;

б — а=0, а б Рис. 6. Модель изолированного сферического датчика в поле электрического диполя.

Силовые линии потенциала поля электрического диполя, рассчитанные в приложении Elcut.

Показатель неоднородности: а — а =1;

б — а=0, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ а б Рис. 7. Модель изолированного сферического датчика в поле линейного источника.

Силовые линии потенциала поля линейного источника, рассчитанные в приложении Elcut.

Показатель неоднородности: а — а =1;

б — а=0, ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) а б Рис. 8. Модель изолированного сферического датчика в поле электрического квадруполя.

Силовые линии потенциала поля электрического квадруполя, рассчитанные в приложении Elcut.

Показатель неоднородности: а — а =1;

б — а=0, Рис. 9. Графики зависимостей полученных значений в программе Elcut отношения напряженностей ЭП Er/E в зависимости от показателя неоднородности а:

1 — однородное поле;

2 — поле точечного источника;

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 3 — поле электрического диполя, расположенного на одной оси со сферическим датчиком;

4 — поле электрического квадруполя квадруполя и высокой сложностью вывода выраже- нородностью, чем поле точечного заряда. Поэтому ния, для анализа взаимодействия сферического дат- применимость сферического датчика в этих полях чика и этого вида источника ЭП используются мо- ограничивается узким диапазоном измерения, по дель, созданная в Elcut, а также аналитические дан- скольку на малых расстояниях от источника ЭП воз ные, рассчитанные этим программным продуктом в никает вероятность электрического пробоя воздуха.

процессе моделирования.

Выводы и заключение Результаты приведены на рис. 9. Для полюса сфе рического датчика Z=+1, обращенного к источнику ЭП, на рис. 9 показано отношения зависимость В работе проанализировано поведение сферичес напряженности возмущенного поля Er на поверх- кого датчика в однородном поле, поле точечного ис ности изолированного сферического датчика к на- точника, электрического диполя и квадруполя (с ис пряженности невозмущенного случая в геометри- пользованием программы Elcut). По плотности рас ческом центре сферы E0 от показателя неоднород- пределения силовых линий на рис. 4–8, соответст ности а=R/d (d — расстояние от источника ЭП до вующие однородному полю, полю точечного источ центра сферического датчика;

R — радиус сфери- ника, электрического диполя и квадруполя, можно ческого датчика). Для анализа взяты случаи с наи- судить о распределении напряженности на поверх большей плотностью распределения силовых линий, ности сферического датчика. Из анализа, например, а именно поля точечного источника, электрического рис. 4 и 5 следует, что в поле точечного заряда при диполя, расположенного на одной оси со сферичес- показателе неоднородности а»1 (рис. 5) прежде всего ким датчиком, и квадруполя. со стороны точки полюса сферического датчика, Из графиков, представленных на рис. 9, видно, обращенной к заряду, наблюдается заметное увели что поле квадруполя и диполя обладает большей неод- чение напряженности поля (область А), тогда как с противоположной стороны (область Б) напряжен- Библиографический список ность поля уменьшается. Таким образом, в области А результаты измерений могут быть получены с наи- 1. Колмогорова, С. С. Изотропный электроиндукционный меньшей погрешностью в области с большим зна- сферический датчик напряженности электростатического поля / ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) чением а, в то время как вблизи источника ЭП воз- С. С. Колмогорова, С. В. Бирюков // Измерение. Контроль.

никает максимальная неоднородность. Информатизация ИКИ-2011 : матер. 12-й Междунар. науч. Исходя из полученных результатов можно уви- практ. конф. – Барнаул, 2011.– С. 105–108.

деть, что поведение сферического датчика в полях 2. Баранова, С. С. Расчет напряженности электрического электрического диполя, квадруполя и точечного поля сферическим датчиком / С. С. Баранова, С. В. Бирюков // источника отличаются. Отличие заключается в том, Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП что поля диполя и квадруполя, обладающие по срав- 2010 : материалы Х Межд. конф. – Новосибирск, 2010. – Т. 2.– нению с полем точечного источника более сильной C. 87–90.

неоднородностью в области полюса сферы, обра- 3. Бирюков, С. В. Анализ работы электроиндукционных щенной к источнику поля, однако напряженность сферических датчиков напряженности электрического поля в поля от источника до поверхности сферы у них полях различной неоднородности / С. В. Бирюков // Магнит убывает соответственно обратно пропорционально ные и электрические измерения : межвузов. сб. науч. тр. – третьей степени расстояния от источника (в случае Омск : ОмПИ, 1983. – С. 3–5.

поля электрического диполя), пятой степени рассто- 4. Бирюков, С. В. Расчет напряженности электрического яния от источника (в случае поля квадруполя) и вто- поля на поверхности сферического датчика, находящегося в рой степени расстояния от источника (в случае то- поле диполя / С. В. Бирюков, Е. В. Тимонина // Омский научный чечного источника). вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. – Омск :

Область поля с сильной неоднородностью для ОмГТУ, 2007. – № 3 (60). – С. 91–93.

электрического диполя и квадруполя либо соизме- 5. Расчет электрического поля на поверхности сферичес рима, либо значительно меньше размера датчика. кого датчика напряженности, находящегося в поле проводящей Поэтому сферический датчик, попадая в поля ди- линии / С. В. Бирюков, Е. В. Тимонина // Динамика систем, поля и квадруполя находится в области поля, близ- механизмов и машин : матер. VI Межд. науч.-техн. конф., по кой к однородному. священной 65-летию ОмГТУ. – Омск : ОмГТУ, 2007. – Кн. 1. – С ростом напряженности ЭП на полюсах сфери- С. 258–262.

ческого датчика увеличивается вероятность электри ческого пробоя среды, в которой находится датчик КОЛМОГОРОВА Светлана Сергеевна, аспирантка в процессе измерения. В качестве такой среды в на шем случае выступает воздух. Электрическая проч- кафедры «Системы автоматизированного проекти ность воздуха зависит от многих параметров (в т.ч. рования машин и технологических процессов».

температура, влажность, давление и др.), то электри- Адрес для переписки: e-mail: lightsun@mail.ru БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор техни ческий пробой воздуха будет зависеть от сочетания указанных параметров в момент измерения. Таким ческих наук, профессор кафедры «Системы автома образом, ограничение использования ИТЭСД проис- тизированного проектирования машин и технологи ходит, с одной стороны, за счет увеличения напря- ческих процессов».

женности ЭП на полюсах сферического датчика, а с другой — за счет наличия конечного значения элек- Статья поступила в редакцию 16.11.2011 г.

трической прочности воздуха. © С. С. Колмогорова, С. В. Бирюков ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Книжная полка Костюков, В. Н. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин : учеб. по собие для вузов по направлению 200100 «Приборостроение» и приборостроит. специальностям / В. Н. Костюков, А. П. Науменко ;

ОмГТУ, Науч.-произв. центр «Динамика». – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. – 360 c. – ISBN 978-5-8149-1101-8.

Рассмотрены теоретические и практические основы виброакустической диагностики неисправности машин и механизмов, методы анализа виброакустических сигналов. Главное внимание уделено анализу параметров виброакустического сигнала.

Галимов, Э. Р. Материалы приборостроения : учеб. пособие для вузов / Э. Р. Галимов, А. С. Ма минов, А. Г. Аблясова. – М. : КолосС, 2010. – 284 с. – Гриф УМО МО РФ. – ISBN 978-5-9532 0743-0.

Приводятся общие сведения о строении, составе, структуре, технологических, эксплуатационных и специальных свойствах широкого круга электротехнических, конструкционных и других видов материалов, используемых при разработке и эксплуатации приборов, автоматов и электронных устройств. Рассмат риваются способы целенаправленного регулирования структуры и свойств материалов, а также методы переработки (обработки) с учетом их функционального назначения. Рекомендовано для подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов всех форм обучения по направлениям «Прибо ростроение», а также «Химическая технология высокомолекулярных соединений», «Материаловедение».

С. З. ИХЛАЗОВ УДК 620.01. Омский государственный ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) технический университет ВИБРОДИАГНОСТИКА МЕТОДОМ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА Приводятся результаты исследования применения метода фрактального анализа для классификации данных, полученных с датчика вибраций авиационного двигателя. Иссле дования проводятся с целью изучения возможности идентификации сигналов мето дами, основанными на нахождении фрактальной клеточной размерности и высоты «неровностей» сигнала по десяти точкам.

Ключевые слова: вибрация, диагностика, идентификация, коэффициент, размерность, сигнал, фрактал.

Объектом исследования послужили 13 сигналов, объектов. Определить, какой метод лучше произ полученных с датчика вибрации. Анализируемые водит классификацию вибросигналов.

сигналы представляют собой выборки данных, полу- Базовым методом, взятым за основу, является ченные с датчика вибраций самолетного двигателя, метод измерения длины береговой линии, например, проходящего полетные испытания. Достоверно Норвегии по топографической карте способом известно, что первый файл представляет полет, про- наложения сетки, описанный в [1], но используемый ходящий в штатном режиме, т.е. параметры вибро- с некоторыми доработками и ограничениями. Для данных в пределах нормы — двигатель исправен. его реализации необходимо подготовить исследу Также известно, что 13-й файл — это данные с по- емый сигнал, как описано ниже.

следнего, аварийного полета, где испытание было Для нахождения фрактальной клеточной размер прервано по каким-то кардинальным причинам ности было применено программное обеспечение (рис.1), а остальные 11 файлов представляют проме- (ПО), описанное в [2], которое считывает данные из жуточные между этими крайними значениями по- указанного файла и анализирует их по заданному леты, отражающие динамику разрушения двигателя. алгоритму, находя Dc. Дальнейшие исследования по Цель проведения исследования: изучить возмож- применению Dc и Rz проверялись с помощью ность классификации сигналов с датчика вибраций электронных таблиц Excel.

Описание метода нахождения фрактальной с помощью представленных методов. Выяснить, клеточной размерности Dc.

позволяют ли приведенные методы реализовать дальнейшую задачу диагностирования исследуемых Первый этап: подготовка сигнала.

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Сигнал Сигнал Рис. 1. Граничные сигналы: 1 — норма, 13 — аварийный ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) Рис. 2. Зависимость Dc от значения множителя ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Рис. 3. Сравнение стандартной величины Rz и коэффициентов Q1 и Q Вводится длина сигнала в единицах измерения Г) Пункты Б, В повторяются для каждого значе (Length), ограничение по максимальному количеству ния hutch, пока выполняется неравенство hutche Shmin.

накладываемых сеток (Limit), и массив исследуемых данных. Далее, находится десятичный логарифм каждого Затем находится количество элементов массива значения массива q и массива k (последовательность (n), размер шага между отсчетами (Shmin=L/n). 1, 2, 3 … n).

Находится количество таких шагов входящих в раз- Затем находится коэффициент наклона кривой мах сигнала (Sh). Если шагов входит больше, чем q, который и является значением Dc.

Ограничения метода. Перед нахождением Dc указано в значении Limit, то производится ограни чение до этого значения, если меньше — то до рас- необходимо провести исследование группы сигналов четного значения Sh. После этого находится мини- на величину минимального размера ячейки Shmin.

мальный размер ячейки при наложении заданного Если величина Shmin получается меньше единицы, количества сеток — Size hutch. то необходимо масштабировать сигнал по оси абс Второй этап: производится анализ данных по сле- цисс, т.к. ячейка сеток квадратная, а выборка данных дующему алгоритму: представляется в виде массива с элементами, уве А) Вычисляется текущий размер ячейки сетки личивающимися на единицу. Таким образом, при (hutch), равный размаху, деленному на номер итера- ячейке со стороной меньше 1, теоретически полу ции: R/1, R/2, R/3 … R/Sh=hutch. чается, что ячейка попадает между отсчетами, что Б) Сигнал покрывается сеткой с квадратной ячей- приводит к ошибке метода. Соответствующие ис кой со стороной, равной hutch. следования были проведены, зависимости Dc сигна В) Подсчитывается количество ячеек, в которое лов полетов от множителя представлены на рис. 2.

попало хотя бы одно значение из выборки сигнала, В эксперименте использовались значения Dc при 236 и заносится в выходной массив q. множителе 100.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) Сигнал Сигнал Сигнал Рис. 4. Нормальные сигналы, равные по амплитуде, разные по Dc ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Q1, Q2 и Rz от номера полета, представлены на гра Следующим этапом находится значение высоты фике (рис. 3).

неровностей сигнала по десяти точкам Rz [3], кото При детальном рассмотрении полученных кривых рое равно сумме средних арифметических (абсо видно, что стандартная величина Rz, показывающая лютных) отклонений точек пяти наибольших макси размах сигнала, не может идентифицировать сиг мумов и пяти наибольших минимумов данных в налы с равной амплитудой, но разной плотностью пределах длины сигнала.

неровностей (сигналы 1, 2, 3 (рис. 4)).

Коэффициент Q1 практически полностью совпа 1 5 yP + y Rz =, дает с Rz и имеет те же недостатки, что и величина V mi 5 i =1 mi i = Rz. (Ранее данный метод был исследован для оценки качества поверхности бумаг и описан в [4]).

где yPmi — отклонение пяти наибольших максимумов Коэффициент Q2 справляется с задачей разделе сигнала;

yVmi — отклонение пяти наибольших мини ния сигналов с равной амплитудой лучше, чем Rz и мумов сигнала.

Q1, опираясь при этом на показания фрактальной После нахождения этих двух величин выпол клеточной размерности. Данная особенность от няются некоторые вычисления по следующим фор лично видна на первых трех сигналах (рис. 4), име мулам:

ющих примерно одинаковую амплитуду.

(2 Dc) R z Результаты исследования. Проведя анализ всех Q1 = (1), 400 сигналов с помощью методик, описанных выше, по лучилось, что оба коэффициента Q1 и Q2 определяют log Dc R z, (2) Q2 = граничные полеты (1 и 13), но чувствительность этих методов различна. Коэффициент Q1 больше подвер жен влиянию параметра Rz и на графике (рис. 3) где деление на константу введено для масштабиро почти полностью совпадает с графиком Rz, т.е. при вания графиков на рис. 3.

таком вычислении (формула 1) и разности в абсолют Для сравнения классификационных возмож ных величинах, влияние фрактальной клеточной ностей, получившиеся зависимости коэффициентов ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) Сигнал Сигнал Сигнал ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Сигнал Рис. 5. Сигналы с помехами типа «всплеск»

размерности Dc на Rz полностью перекрывается зна- затель Q2. Коэффициент корреляции рядов Q2 и Rz чениями показателя Rz. Коэффициент корреляции равен 0,84, а рядов Q2 и Dc — 0,9.

рядов Rz и Q1 равен 0,997, а рядов Q1 и Dc — 0,52. Однако нужно отметить, что если сигнал содер При нахождении коэффициента Q2 происходят жит ярко выраженные одиночные «всплески» (рис. 5), вполне видимые изменения в построении упорядо- то влияние величины Dc сокращается, и определя ченного ряда (рис. 3). Это можно объяснить, опира- ющим параметром становится величина Rz. Это про ясь на определение логарифма: логарифм числа b по исходит, потому что значение величины Dc умень основанию a определяется как показатель степени, шается незначительно, а значение величины Rz уве в которую надо возвести основание a, чтобы полу- личивается заметно. Кроме того, из-за одиночного чить число b. Т.е. значение степени, в которую «всплеска» площадь покрытия сигнала сеткой увели нужно возвести показатель фрактальной клеточной чивается, а основной сигнал на таком уровне отсут 238 размерности, чтобы получить число Rz, и есть пока- ствует. И если внимательно проанализировать алго ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) Рис. 6. Пример классификации полетов по значению Q ритм нахождения Dc, то становится понятно, что 4. Показатель Q1 имеет коэффициент корреляции при увеличении размаха увеличивается размер мини- с показателем Rz 0,997, а с Dc — 0,52. Это говорит о мальной ячейки и, соответственно, уменьшается чув- том, что величина Dc при вычислении Q1, практи ствительность метода. чески не влияет на конечный результат, и, следо На рис. 2 представлена зависимость показателя вательно, ее использование в таком виде неэффек Dc от сигнала, где хорошо видно, что фрактальная тивно.

клеточная размерность адекватно реагирует (относи- 5. Коэффициент корреляции Q2 с показателем Rz тельно ранжирования по Rz) на сигналы, имеющие 0,84, а с Dc — 0,9. Это отражает обоюдное воздей более-менее стабильное заполнение всей области по- ствие двух величин на конечный результат Q2.

крытия сеткой (сигналы 1, 2, 3, 6, 10). Сигналы, име- И позволяет произвести классификацию исследу ющие одиночные «всплески», «выпадают» из увиден- емых сигналов на «нормальные», «удовлетворитель ной закономерности и стоят на 3–4 места дальше, ные», «неудовлетворительные» и «аварийные».

если производить упорядочивание по Dc. 6. На основании проведенных исследований При этом нужно помнить об исключениях для можно утверждать, что предложенные методики логарифма и, соответственно, для данных при вычис- комплексного использования классического и фрак лении: основание не может быть равно 1 и должно тального анализа могут быть применены для иденти быть больше нуля, число же должно быть строго фикации и классификации сигналов при вибродиаг больше нуля. ностике.

Пример классификации сигналов с вибродатчика 7. Проведенные исследования носили пробный по значению показателя Q2 приведен на рис. 6. На характер и показали, что выбранное направление ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ графике четко можно выделить «нормальные» и «ава- работ имеет перспективы дальнейшего развития.

рийные» полеты. Границы «удовлетворительных» и «неудовлетворительных» полетов проставлены ус- Библиографический список ловно, для более точного разделения необходимо провести анализ большего количества данных. 1. Федер, Е. Фракталы / Е. Федер // Пер. с англ. – М. :

Мир, 1991. – 254 с.

Выводы. 2. Программа определения фрактальной размерности 1. Фрактальная клеточная размерность Dc, при полиграфических материалов / А. В. Голунов, Л. Г. Варепо, анализе сигналов с вибродатчика, помогает разделять С. З. Ихлазов. – М. : ОФЕРНИО, 2010. – № 50201001494.

сигналы равной амплитуды, но с разной интенсив- 3. ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры ностью изменения значений. Однако она не способна и характеристики. Дата введения 01.01.75 – М.: Стандарт адекватно реагировать на стабильные сигналы с оди- информ, 2006. – 6 с.

ночными «всплесками». 4. Определение качества поверхности бумаги методом 2. Стандартная величина высоты неровностей сиг- фрактального анализа / В. Ю. Кобенко, С. З. Ихлазов, А. В. Го нала по десяти точкам Rz, отражает средний размах лунов // Омский научный вестник. – Омск : Изд-во ОмГТУ, сигнала и способна реагировать только на данную 2011. – № 3(103). – С. 330–334.

величину, не отражая степень заполнения прост ИХЛАЗОВ Сайдбек Зугумович, аспирант кафедры ранства внутри максимальной и минимальной вели чины. Поэтому, использование исключительно пока- «Технология электронной аппаратуры».

зателя Rz для анализа вибросигналов недостаточно. Адрес для переписки: ihlasov@mail.ru 3. Совместное использование величин Rz и Dc показало свою эффективность при определенной Статья поступила в редакцию 22.12.2011 г.

комбинации. © С. З. Ихлазов А. В. ШАХОВ УДК 681.3:543. А. А. КУЗНЕЦОВ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) Омский государственный университет путей сообщения АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ОСНОВЫ АНАЛИЗИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРИБОРАХ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА В статье приводятся исследования, в результате которых созданы алгоритм и програм мное обеспечение, позволяющие выполнять идентификацию различных групп мате риалов при проведении спектрального анализа металлов и сплавов. Применение алго ритма позволило повысить точность и надежность при измерении интенсивностей спектральных линий, а следовательно, количественного содержания элементов при месей неизвестных материалов.

Ключевые слова: спектральный анализ, неизвестные материалы, эталонные спектры, реперные линии, идентификация.

Системы контроля качества материалов в насто- бору возможных элементов примесей следует изме ящее время широко используются на транспорте, рить интенсивности и выполнить определение их ко в промышленности и энергетике при изготовлении личественного состава по имеющейся методике и подо высокотехнологичной продукции и ремонте слож- брать наиболее подходящую марку материала [3].

ной техники. В условиях промышленных цехов и Сущность предлагаемого метода заключается в предприятий ежедневно приходится сталкиваться с сравнении спектров материала с неизвестным соста деталями, выполненными из большого числа марок вом со спектрами, полученными расчетным путем, материалов. При этом недопустима подмена одной имеющим отличительные признаки известных групп марки материала другой, поскольку возникает опас- сплавов.

ность невыполнения заложенных физико-механи- На первом этапе решается задача качественного ческих свойств, таких как прочность, упругость, анализа с определением типа основы и легирующих коррозионная стойкость и других. элементов примесей. На рис. 1 и 2 представлены Использование автоматизированных систем спектры стандартных образцов (СО) стальных спла контроля налагает особые требования принятия вов. Образцы имеют одинаковую основу (Fe), но раз ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ решения без участия человека. Большое значение ное количество легирующих элементов, что выража уделяется переносу накопленного опыта специалис- ется в различном количестве и интенсивностях ли тов и его воплощению в методическом и програм- ний в спектре. Для сравнения СО IARM27D (близкий мном обеспечении автоматизированных систем к чистому железу) имеет 3655 спектральных линий контроля. Используя опыт внедрения приборов и против 3973 у образца лг34а (хромоникелевая сталь).

технологий контроля материалов на предприятиях Из чего следует, что 318 спектральных линий прихо транспорта, энергетики, приборостроения авторами дится на линии легирующих элементов.

были выработаны предложения по расширению Как видно из рисунков, общее количество спект функциональных возможностей оборудования [1]. ральных линий в представленных спектрах различно, В работе приведены исследования и рекомендации однако имеются общие характерные линии основы по автоматическому определению типа основы ана- материала (Fe), всегда присутствующие в спектрах лизируемых материалов в приборах спектрального стандартных образцов и определяемых марок мате анализа. Спектры различных материалов получены риалов, называемые реперными.

при помощи отечественного спектрометра типа Количественное содержание элементов примесей «Аргон-5СФ», выполненного на уровне современных для сталей представлено в (табл. 1). Содержание ос зарубежных аналогов. Спектрометр содержит мето- новы материала получают из выражения:

дики для определения количественного состава мате n риалов с различными основами. Задача контроля не С ос = 100 Ci ;

(1) известных материалов является актуальной и на се i = годняшний день до конца не решенной.

Наборы одинаковых элементов могут встречаться где Ci — содержание элементов примесей легиру в различных материалах [2]. Для правильного рас- ющих элементов, %;

n — количество легирующих познавания марки определяемого материала необ- элементов в сплаве.

ходимо на первом этапе определить, к какой группе Как видно из таблиц, представлены данные чис относится материал, другими словами, определить тых металлов с содержанием элементов от 0,001 % тип основы сплава (железо, медь, алюминий, никель, и образцов с содержанием легирующих элементов 240 цинк, титан и др.). Далее по регламентируемому на- до 40 %.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) Рис. 1. Спектр СО IARM27D (содержание основы СFe=99,97 %) Рис. 2. Спектр СО лг34а (содержание основы СFe=69,49 %) Таблица ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Количественное содержание элементов основы и примесей в стандартных образцах методик «Низколегированные стали»

и «Хромоникелевые стали»

Стандартные образцы Элемент IARM27D уг6и лг34а Si 0,003 0,404 0, Ni 0,003 0,328 9, Mn 0,001 0,366 0, Cr 0,002 1,79 17, Mo 0,001 0,205 0, V – 0,351 0, Ti 0,001 0,015 0, Cu 0,001 0,239 0, Al 0,001 0,55 0, W 0,002 0,136 0, Fe 99,973 95,221 69, C 0,002 0,248 0, S 0,001 0,008 0, P 0,001 0,02 0, Таблица Реперные линии методики низколегированных сталей (СО уг6и) Длина Интенсивность, № Номер Номер Элемент волны, ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) п/п ПЗС участка нм 1 2 1 Fe 232,739 2 2 1 Fe 233,131 3 2 1 Fe 233,280 4 2 2 Fe 243,007 5 2 2 Fe 244,451 6 2 2 Fe 244,556 7 2 2 Fe 245,878 Рис. 3. Формирование эталонного спектра по реперным линиям 243,007;

244,451;

244,556;

245,878 нм:

1 — спектр образца IARM27D, 2 — уг6и, 3 — лг34а, 4 — эталонного спектра сматриваемого материала, математическим выраже В спектрометре типа «Аргон-5СФ» для регистра нием. Математическое выражение эталонного спектра ции оптического спектра используются шесть твер принято с целью экономии вычислительных ресур дотельных детекторов излучения на основе приборов сов управляющего компьютера.

с зарядовой связью (ПЗС). Спектральный диапазон, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Для построения эталонного спектра использова приходящийся на вторую диодную линейку и репер лась упрощенная функция Гаусса, обоснованная ра ные линии на двух анализируемых участках, исполь нее в работе [4]:

зуемые методикой низколегированных сталей приве дены в табл. 2. n t Lj k Для различных материалов с разными основами (t) = f + I j Gauss, (2) nI (для стали — Fe, бронзы и латуни — Cu, никелевые j =0 j сплавы — Ni, цинковые сплавы — Zn и др.) существу ют свои наборы реперных линий, по положению t где Gauss(t) = exp ;

t — аргумент функции, вы которых можно идентифицировать основу того или иного сплава.

ражающий изменение длины волны в спектре;

L — На рис. 3 показан эталонный спектр, построен длина волны максимума интенсивности заданной ный по измеренным спектрам трех стандартных об линии;

I — максимум интенсивности реперной разцов сталей IARM27D, уг6и, лг34а с различной линии;

n — коэффициент разрешения спектрального степенью легирования. Концентрация элемента прибора;

k — число характерных линий «окна»

основы (Fe) изменяется от 69,49 до 99,97 %. Спектры текущего ПЗС;

f — пороговое значение фона при зарегистрированы вторым приемником ПЗС спектро сканировании спектра.

метра «Аргон-5СФ». Согласно табл. 2, на втором ана При определении интенсивностей реперных ли лизируемом участке второго приемника ПЗС, число ний в эталонном спектре использовалось выражение реперных равняется 4, длины волн, соответственно, (3), учитывающее среднестатистическое значение равны 243,007;

244,451;

244,556;

245,878 нм. По вер возможных интенсивностей аналогичных линий тикальной оси отложены абсолютные интенсивности более чем в 90 стандартных образцах, используемых излучения спектральных линий, по горизонтальной — при калибровке методик низколегированных и хро порядковый номер фотодиода (пиксель) на рассмат моникелевых сталей:

риваемом ПЗС.

Для представления эталонного спектра исполь 1n I rij pij, зуют моделирование участков, содержащего репер- I ej = (3) 242 ные линии, всегда присутствующие в спектре рас- n i = ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) Рис. 4. Сравнение эталонного и измеренного спектра СО уг6и по реперным линиям Рис. 5. График взаимнокорреляционной функции для реперных линий третьей ПЗС Irij — интенсивности реперных линий измеренных ных интенсивностей, сглаженные методом скользя спектров СО;

pij — статистический вес интенсив- щей медианы.

ности реперной линии для каждого измеренного Наличие максимума вблизи нулевого значения спектра;

n — количество измеренных спектров;

j — указывает на правильность поиска и наличия нуж индекс реперной линии. ных реперных линий в спектре (качественный пока ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Для идентификации основы материала исполь- затель идентификации). График взаимной корреля зуют моделирование участков при помощи эталон- ционной функции (4) для реперных линий первой ПЗС с параметром смещения t=±10 пикселей, по ного спектра, содержащего набор характерных ре перных линий, всегда присутствующих в спектре казан на рис. 5.

рассматриваемого материала. Эталонный спектр Количественная оценка правильности идентифи предлагается представлять в виде математического кации найденных аналитических линий оценивалась путем расчета коэффициента корреляции rxy, и оста выражения. На этом шаге выполняется совмещение точного стандартного отклонения sxy для измерен мгновенных значений измеренного спектра и анали тического выражения эталонного спектра. Степень ного и эталонного спектров:

соответствия оценивается взаимнокорреляционной cov((t), Ysmt ) функцией (4) при смещении эталонного спектра, xy = (5) ;

y относительно измеренного, на величину интервала поиска t.

(Ysm (i)) В качестве примера на рис. 4 показан эталонный (6), 2 = i спектр для идентификации основы сталей на третьем xy n ПЗС спектрометра «Аргон-5СФ» и измеренный где n — число пикселей в окне поиска линий;

спектр СО углеродистой стали уг6и. В качестве ре cov(y(t),Ysmt) — ковариация значений y(t) и Ysmt;

sy, перных показаны линии железа с длинами волн sy — стандартные отклонения значений y(t) и Ysmt 271,444;

271,902;

272,489;

272,754 и 273,358 нм.

от среднего.

Взаимнокорреляционная функция для распозна Предлагаемый способ обеспечивает повышение вания нужных аналитических линий, их наличия в точности идентификации типа основы анализиру спектре и дальнейшего определения максимума рас емого материала. Применение двухступенчатого считывается согласно выражению:

алгоритма позволяет существенно повысить досто n ((t, ) Ysm ), Rxy () = верность автоматизированного поиска нужных ана (4) t литических линий, особенно для материалов с насы t = где Ysmt — значения вектора измеренных мгновен- щенными спектрами (стали, никелевые сплавы и др.) и уменьшить влияние мешающих факторов (темпера- 3. Серебренников, И. В. Новые возможности пакета АТОМ:

тура, нестабильность разряда плазмы и др.). Досто- модуль для проведения автоматического качественного анализа верная идентификация и последующее измерение [Текст] / И. В. Серебренников, В. И. Вершинин // Применение параметров спектральных линий были получены во анализаторов МАЭС в промышленности : сб. тр. IX Междунар.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) всех случаях при rxy0,9 и sотн10 %. симпозиума. – Новосибирск : Академгородок, 2008. – С. 51–55.

Способ реализован в виде процедуры, работаю- 4. Зажирко, В. Н. Способ идентификации и измерения щей совместно со штатным программным обеспече- параметров спектральных линий в автоматизированных систе нием спектрометра типа «Аргон-5СФ», включающим мах контроля / В. Н. Зажирко, А. А. Кузнецов, С. М. Овча блок регистрации спектров на линейных ПЗС. ренко // Приборы и системы. Управление, контроль, диагнос тика. – 2006. – № 5. – С. 39–45.

Библиографический список ШАХОВ Андрей Владимирович, аспирант кафедры 1. Кузнецов, А. А. Модернизация оборудования для диагнос «Теоретическая электротехника».

тирования и ремонта подвижного состава [Текст] / А. А. Кузне КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович, доктор техниче цов, О. Б. Мешкова, В. А. Слептерев, А.В. Шахов // Транспорт ских наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой 2009 : сб. тр. Междунар. научн. конф. – Ростов н/Д, 2009. – «Теоретическая электротехника».

С. 46–50.

Адрес для переписки: ShahovAV@omgups.ru 2. Нахмансон, М. С. Диагностика состава материалов рент генодифракционными и спектральными методами [Текст] / Статья поступила в редакцию 27.01.2012 г.

М. С. Нахмансон, В. Г. Фекличев. – Л. : Машиностроение, © А. В. Шахов, А. А. Кузнецов 1990. – 357 c.

Информация Конкурс на соискание премий за выдающиеся научные результаты Российская академия наук (РАН) и Национальная академия наук Украины (НАН Украины) объявляют конкурс на соискание трех премий за выдающиеся результаты, полученные российскими и украинскими учеными при проведении совместных исследований в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук и имеющие важное научное и практическое значение.

Присуждение премии будет осуществлено в 2012 году.

В конкурсе на соискание премий могут участвовать только российские и украинские ученые, которые являются гражданами Российской Федерации и Украины и работают в научных учреждениях РАН и НАН Украины.

На конкурс могут быть представлены работы или серии совместных работ, выполненные коллективами ученых из научных учреждений РАН и НАН Украины. Число участников, выдвигаемых на конкурс, не должно превышать трех человек с каждой стороны, при этом количество участников совместных ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ исследований с российской и украинской стороны может быть неодинаковым.

Право выдвижения работ на соискание премий предоставляется научным учреждениям РАН и НАН Украины, а также действительным членам и членам-корреспондентам обеих академий по их специальности.

Работы (циклы совместных публикаций, разработок, изобретений), представляемые на конкурс, должны одновременно направляться в президиумы двух академий с пометкой «На соискание премии РАН и НАН Украины». К комплекту совместных публикаций, представляемых в трех экземплярах, прилагаются:

аннотация, характеризующая выдвигаемую на конкурс работу, ее значимость, подписанная авторами;

выписка из протокола заседания ученого совета научного учреждения о выдвижении или рекомендация академика либо члена-корреспондента академий, включающая аргументированную оценку результатов совместных исследований, их значение для науки и практики;

копии технической документации других материалов, свидетельствующих о важности полученных результатов;

сведения об организациях-партнерах и условиях сотрудничества;

сведения об авторах: фамилия, имя, отчество, краткая научная биография (Curriculum Vitae), место работы, должность, информация о вкладе каждого из авторов в совместную работу.

Срок представления работ, выдвигаемых на конкурс, истекает 30 июня 2012 года.

Работы с российской стороны вместе с перечисленными документами следует представлять в Президиум Российской академии наук по адресу: 119991, ГСП Москва, Ленинский проспект, 14, корпус 1, Евсееву В. В.

Контактный телефон (499) 237-69-68.

Сообщение о конкурсе на сайте РАН: http://www.ras.ru/ Источник: http://www.rsci.ru/grants/grant_news/297/231918.php (дата обращения: 10.04.2012)

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.