автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительные системы для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях и ее изготовлением

На правах рукописи

ГЛУХОВ Андрей Юрьевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЕМ ВТСП-КЕРАМИКИ В ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ И ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЕМ

05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАР 2014

005545722 Волгоград-2014

005545722

Работа выполнена на кафедре «Радиофизика» в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный университет» (ВолГУ), г. Волгоград.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Сипливый Борис Николаевич.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Есауленко Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Астраханский государственный технический университет, профессор кафедры «Автоматика и управление»; Данилов Станислав Николаевич, доктор технических наук, профессор, Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), профессор кафедры «Радиотехника».

ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск.

Защита состоится 18 апреля 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 12 » С^ё^Ак.2014 ]

Ученый секретарь диссертационного совета

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование электродинамики

высокотемпературных сверхпроводников связано с изучением их нелинейных электрических и магнитных свойств. Актуальность данной тематики обусловлена перспективностью применения высокотемпературных сверхпроводников в радиоэлектронике, функциональной электронике, сильноточной технике и т.д. Согласно информационному бюллетеню «Перспективные технологии: Сверхпроводники» на данный момент уже реализованы такие сверхпроводниковые разработки как: сверхпроводящий ограничитель аварийных токов (ИСФТТ РНЦ Курчатовский институт), магнитный СКВИД-микроскоп (МГУ), дисковая синхронная машина (ФГУП НИИЭлектронмаш), сверхпроводниковый турбогенератор (ФГУП НИИЭлектронмаш), серия ВТСП моторов (МАИ) и др.

Можно выделить несколько подходов к теоретическому и экспериментальному описанию нелинейных магнитных и электрических свойств ВТСП: изучение и анализ гармоник намагниченности, изучение магнитосопротивления, изучение поверхностного импеданса. Несмотря на различие этих подходов у них можно выделить общие черты. Во всех экспериментах создается переменное либо постоянное магнитное или электрическое поле (а также их суперпозиция) и регистрируется сигнал отклика ВТСП образца. Такое зондирование среды монограмоническим сигналом является классическим методом изучения свойств материальных сред. В общем случае реакция среды представляет собой полигармонический сигнал с широким спектром. Связь отклика среды с её параметрами определяется в рамках конкретной феноменологической модели. Однако исходной информацией для решения обратной задачи по определению фундаментальных физических характеристик ВТСП-керамики в рамках конкретной модели являются частотные и амплитудные зависимости полигармонического сигнала отклика.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам описания нелинейных магнитных и электрических свойств ВТСП посвящены современные труды как отечественных, так и зарубежных ученых: В.А. Финкель, Т.В. Сухарева, В.К. Игнатьев, М.А. Зеликман, В.К. Черноморец, М.В. Садовский М.В. Аржавитин, М.В. Еремин, N. Епаки, Б. Со1ш, СЛ. Веек и многих других.

Для линейных сред (и, в некоторых частных случаях, для нелинейных) можно воспользоваться промышленными измерителями АЧХ и ФЧХ. Однако применение данных устройств для исследования керамических высокотемпературных сверхпроводников с существенно нелинейными свойствам и со значительной пространственной и временной дисперсией, не представляется возможным. В этом случае, в основном, используются оригинальные информационно-измерительные и управляющие системы, адаптированные под конкретную задачу. Разработкам таких систем посвящены труды ученых: Н.Д.

* Автор выражает благодарность к.ф.-м.н., доценту Негинскому Игорю Владимировичу за помощь в работе над диссертацией.

Кузьмичева, АЛ. Федченко, В.В. Славкина, Э.А. Тшценко, С.В. Черных, А.И. Головашкина и многих других.

Первичными измеряемыми величинами во всех исследованиях являются амплитуды, частоты, сдвиги фаз переменных электрических или магнитных полей. При проведении исследований ВТСП в переменных магнитных или электрических полях во всех экспериментальных исследованиях фиксировались только амплитуды сигнала отклика мнимых и вещественных составляющих намагниченности, поверхностного импеданса или магнитосопротивления. Вместе с тем остаётся открытым вопрос синхронного измерения мгновенных значений задающего сигнала и сигнала отклика.

При обработке первичных результатов таких исследований активно используются различные методы цифровой обработки сигналов. Для оценки спектральной плотности мощности и частот исследуемых сигналов наиболее распространенными являются непараметрические методы, такие как периодограммный метод и периодограмма Уэлча. Также широкое распространение получили параметрические методы - авторегрессионная модель, метод MUSIC, метод EV, метод Прони и другие. Большинство методов хорошо оценивают спектральный состав изучаемого сигнала, но в относительных величинах, хотя интерес представляют абсолютные значения этих величин. Существенным недостатком является сложность определения фазового сдвига высших гармоник спектра относительно первой гармоники сигнала.

Следовательно, становится актуальной разработка информационно-измерительной и управляющей системы с применением современной элементной базы, увеличивающей точность, чувствительность и быстродействие измерений. Все это позволит получить новые измеряемые величины, которые не могли быть получены ранее из-за несовершенства электронных средств

Целью диссертационной работы является создание и совершенствование информационно-измерительных систем для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях и ее изготовлением.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- обзор методов и средств измерений, а также основных современных экспериментальных подходов к исследованию нелинейных свойств ВТСП;

- разработка, изготовление и поверка информационно-измерительной системы для получения нелинейных параметров ВТСП-керамики с применением современной элементной базы цифровой и аналоговой электроники;

- разработка, изготовление и калибровка информационно-измерительной системы для управления процессом изготовления цилиндрических образцов ВТСП-керамики, получение метрологических и технических характеристик;

- синтез цилиндрических образцов ВТСП-керамики на основе разработанной и изготовленной информационно-измерительной системы;

- проведение экспериментальных исследований по определению параметров ВТСП-керамики;

- разработка и численное моделирование метода для оценки амплитуд и фаз существенно нелинейных сред с произвольным количеством гармонических составляющих.

Достоверность результатов, полученных в работе, в основном определяется тем, что для всех разработанных теоретических методов проведено численное моделирование и получены методические погрешности. Также, отдельно для всех модулей информационно-измерительной системы проведена калибровка и получены метрологические и технические характеристики. Для всей информационно-измерительной системы в целом проведена поверка и построение динамических характеристик. Экспериментальные результаты хорошо воспроизводятся и согласуются с теоретическими данными. Результаты экспериментальных исследований ВТСП-керамики согласуются с другими научными работами в данной области исследований.

Предметом исследования являются методы и средства экспериментального исследования нелинейных параметров ВТСП-керамики, методы математической обработки экспериментальных данных высших гармоник сигнала отклика ВТСП-керамики, принципы функционирования и структура информационно-измерительной системы для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях.

Научная новизна:

1. Впервые разработана и изготовлена информационно-измерительная система для управления физическим экспериментом по исследованию амплитуд и фаз высших гармоник цилиндрических образцов ВТСП-керамики. Применение современной цифровой и аналоговой элементной базы микросхем, а также новых технических решений позволило существенно улучшить технические, эксплуатационные, экономические и эргономические характеристики, что определяет эффективность внедрения новейших достижений науки и техники в практику создания отработки и испытаний систем подобного рода.

2. Разработана и изготовлена новая информационно-измерительная система для управления процессом изготовления ВТСП-керамики. Система позволила существенно упростить процесс изготовления данных образцов.

3. Предложен новый метод восстановления параметров среды, позволяющий одновременно получать три основных параметра материала образца (относительную диэлектрическую проницаемость, относительную магнитную проницаемость и проводимость) исходя из амплитудной и частотной зависимости поверхностного импеданса от частоты. Метод позволяет проводить контроль и испытание разработанной информационно-измерительной системы.

4. Впервые для ВТСП-керамики УВагСизСЬ-х получены цифровые синхронные отсчеты мгновенных значений полигармонического сигнала отклика сверхпроводника и внешнего переменного магнитного поля при различных частотах и амплитудах.

5. Впервые для ВТСП-керамики УВа2Сиз07.х с помощью метода цифрового синхронного детектирования получены амплитудные и частотные зависимости высших гармонических составляющих сигнала отклика. Данные зависимости позволяют рассчитать важнейшие характеристики среды.

Научная значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты позволили получить для ВТСП-керамики мгновенные цифровые синхронные отсчеты нелинейного сигнала отклика и сигнала внешнего магнитного поля. На основе этих данных с применением разработанного метода математической обработки экспериментальных результатов получены амплитуды и сдвиги фаз высших гармоник, позволяющие рассчитать важнейшие физические характеристики исследуемой нелинейной среды.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что разработанные информационно-измерительные системы вместе с методом цифрового синхронного детектирования могут быть полезны для проведения экспериментальных исследований в области определения параметров существенно нелинейных сред. Возможно использование данных систем и для управления исследованием линейных сред. Применение современной элементной базы и технологий программирования позволяет проводить исследования быстро и автоматически. Информационно-измерительная система для управления процессом изготовления цилиндрических образцов ВТСП-керамики УВагСизОу-х открывает возможности по производству новых образцов для дальнейших исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Информационно-измерительная система для управления исследованием ВТСП -керамики УВй2Сиз07.х: описание аппаратных и программных частей всех модулей системы, а также их калибровочные, метрологические и технические характеристики, поверка системы эталонными линейными и нелинейными схемами.

2. Информационно-измерительная система для управления процессом изготовления цилиндрических образцов ВТСП-керамики. Особенности синтеза образцов на базе разработанной системы.

3. Метод восстановления параметров среды, позволяющий одновременно получать три основных . параметра материала образца (относительную диэлектрическую проницаемость, относительную магнитную проницаемость и проводимость) исходя из амплитудной и частотной зависимости поверхностного импеданса от частоты.

4. Метод цифрового синхронного детектирования, позволяющий оценивать абсолютные амплитуды и сдвиги фаз высших гармоник существенно нелинейных сигналов.

5. Схема проведения эксперимента по измерению нелинейных параметров ВТСП-керамики.

6. Информационно-измерительная система для управления исследованием по измерению нелинейных параметров ВТСП-керамики, позволяющая получать в автоматическом режиме цифровые синхронные отсчеты зависимостей мгновенных значений сигнала отклика от внешнего магнитного поля при различных амплитудах, а также частотные и амплитудные зависимости (амплитуды и фазы) высших гармонических составляющих нелинейного отклика ВТСП-керамики на переменное внешнее магнитное поле.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует Паспорту специальностей научных работников по шифру 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении): п.1 «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем», п.4 «Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем» и п.6 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на следующих конференциях и конкурсах: Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2010), Всероссийские научные конференции студентов-физиков и молодых ученных (ВНКСФ-17 - г. Екатеринбург 2011, ВНКСФ-18 - г. Красноярск 2012, ВНКСФ-19 - г. Архангельск 2013), XVIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2013).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель, 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Автором диссертации самостоятельно выполнено исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: разработан цифровой синхронный измеритель поверхностного импеданса [1], разработан модифицированный метод цифрового синхронного детектирования для оценки спектра полигармонического сигнала [2, 6 - 8, IIIS, 15], разработана и изготовлена информационно-измерительная система по управлению процессом изготовления высокотемпературных сверхпроводников [3, 5, 10], разработана и изготовлена информационно-измерительная система для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях и приведены результаты исследования этих параметров [4, 14, 16], получены метрологические характеристики системы с применением разработанного метода восстановления параметров среды [9].

Структура диссертации. Диссертация содержит 145 страниц основного текста, 66 рисунков, 6 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 2 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи, определены объект и предмет исследования, показана научная новизна, а также научная и практическая значимость работы. Представлены основные положения, выносимые на защиту апробация работы, публикации и структура диссертации.

В первой главе произведен обзор методов и средств измерения нелинейных свойств ВТСП-керамики. Анализ литературы показал, что весьма малое количество работ посвящено изучению амплитуд и фаз высших гармонических составляющих сигнала отклика сверхпроводника на внешнее переменное магнитное поле. Это связано с ограничениями метрологических, эксплуатационных, эргономических и экономических характеристик средств измерений. В применяемых в настоящее время средствах измерений экспериментальные данные получены в очень узком диапазоне частот или для одной фиксированной частоты. Получение гармоник намагниченности требуют использования селективных усилителей, настроенных на определенную кратную частоту. В то же время важен весь доступный спектр высших гармоник для исследуемого образца. Поэтому интерес представляет исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшения их технических, эксплуатационных и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений. Таким образом, анализ большого количества литературных данных методов и средств измерений нелинейных свойств ВТСП-керамики позволил определить цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены разработанные теоретические методы, применяемые в информационно-измерительной системе (ИИС) по управлению исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях.

Описан метод восстановления параметров среды, позволяющий одновременно получать три основных параметра материала образца: относительную диэлектрическую проницаемость е, относительную магнитную проницаемость /л и проводимость а. Метод позволяет исходя из экспериментально полученной частотной зависимости поверхностного импеданса цилиндрического образца вычислить параметры среды.

Из уравнений Максвелла, записанных для изотропного цилиндрического образца радиусом Я, с параметрами а, ц, е в продольном магнитном поле напряженностью Н, направленному по оси образца можно получить соотношение для поверхностного импеданса:

т=]-( о), (1)

У (ет + уюее

где/¿о = 1-25х10~6 Гн/м - абсолютная магнитная, а £0 =8.85х10"'2Ф/л< -абсолютная диэлектрическая проницаемость материала образца, со - частота электромагнитного поля, Л, У/ - функции Бесселя.

Вычисляя производную г;(л) и используя формулу (1), разделяя мнимую и вещественную составляющие : 2 = к + ]т и 2' = 1 + ]'п можно получить следующее уравнение:

Ааъ +Ва2 + Саге + £>ог + Есге2 + Ре2 +в£3 =0, где

A. С-^Шт,

B,-На, 0 = 2 «(-«К. а,.гыл,.е1

Коэффициенты Л-б могут быть определены экспериментально. Таким образом, имеется принципиальная возможность определить внутренние параметры материала образца о , ц, б исходя из частотной зависимости поверхностного импеданса образца.

Решая эту систему, используя избыточность исходных (т.е. большим числом экспериментальных значений 2(ю)) данных можно определить значения всех коэффициентов Л-С7 в нескольких точках. Возьмем 6 точек А/...Ае, 5/...Вв. С1...С6, И/...Дь Е1...Еб, Р1...Р6, С/...для шести различных амплитуд. Значение производной получим из частотной характеристики 2(со), аппроксимировав ее с помощью центральных разностей второго порядка точности. Тогда получим следующие выражения для параметров а, ¡1, е:

= ~ (ЛОДЬ «т + ВОЕРтк ),

12345

ВСОЕРт,.,

х2Каг -21 аа2 -6ктЯшеаа2Е + 2ш{п+шт]8аае-2со2ТЬ:1 е^е2 2Яа2е0110есг

где СОЕЦт}, АОЕЦ2Ж, ВОЕЦ1Ж, ВСОЕЦш^ АСОЩ^- определенные комбинации

коэффициентов А¡-01 (¡=1 ...б).

Таким образом, становится возможным определение параметров среды а, ц, е по экспериментальным значениям поверхностного импеданса.

Также во второй главе предложен метод цифрового синхронного детектирования в применении для оценки абсолютных амплитуд и фаз существенно нелинейных сред с произвольным количеством гармонических составляющих. Описана возможность применения этого метода для использования в системах реального времени на базе цифровых сигнальных процессорах или микроконтроллерах.

В третьей главе описана ИИС для управления исследованием ВТСП-керамики, а также ИИС для управления процессом изготовления ВТСП-керамики по керамической технологии без обжига в среде кислорода Приведено подробное описание аппаратных и программных частей всех модулей системы. Представлены особенности работы аппаратной и программной частей всего комплекса. Описана методика проведения эксперимента по измерению нелинейных параметров ВТСП-керамики.

На рис.1 представлена структурная схема ИИС для управления исследованием ВТСП-керамики. Можно выделить следующие составные части ИИС:

1. Базирующее устройство с исследуемым объектом — цилиндрический образец ВТСП-керамики УВа2Сиз07-х.

2. Измерительный канал и АЦП - осуществляет предварительное усиление и фильтрацию (ВПИ1, ВПИ2) выходного сигнала дифференциального датчика (ППИ1) и измерительного резистора ИТУН (ППИ2). По запуску внешнего прерывания производится синхронная оцифровка (АЦП1, АЦП2) сигналов измерительной катушки и сигнала задающей катушки Ы (ППУ1). АЦП имеет независимый гальванически развязанный канал связи с ПК через порт и8В2.

3. Управляющий канал и ЦАП - осуществляет генерацию (УК1 - УК4) и задание (ЦАП) синусоидального напряжения. Имеет независимый гальванически развязанный канал связи с персональным компьютером (ПК) через цифровой интерфейс передачи данных и8В1. Это позволяет управлять частотами, амплитудами и фазами гармонического сигнала УК1 - УК4.

4. ПК — с помощью оригинального специализированного программного обеспечения ИИС позволяет управлять исследованием ВТСП-керамики, а именно в ручном или автоматическом режимах взаимодействовать с измерительным и управляющим каналами через гальванически развязанные интерфейсы ШВ1 и 118В2. Также на ПК запускается оригинальное ПО для обработки полученных результатов.

ППУ2

задания постоянного магнитного поля 1.2

ВПУ2

ИПТ

Ш1У1

Соленоид для задания переменного магнитного поля 1_1

Е

ВПУ1

ИТУН

Сумматор

^ЦАП1|—|СС 1|—|ФНЧ 11». Генератор РОБ!

УК1

^ЦАП2|—-[СС2}«-|ФНЧ 2|-*- Генератор 003 2

УК2

]ЦАПЗ|^~|СС 3|-^ФНЧ з|» Генератор РОБЗ

УКЗ

Источник опорного напряжения

УК4

{ЦАП}.

| [ТактоваяII ПО частота УК

Параллельный интерфейс

I мк1Ж

Гальваническая развязка 1

иэв <-> иАРТ 1

X

Рис. 1. Структурная схема ИИС системы для управления исследованием ВТСП-керамики УВагСиз07-х в переменных магнитных полях. БУ - базирующее устройство, ИО - исследуемый объект, ИК - измерительный канал, ПЛИ -

первичный преобразователь измерительный, ВПИ - вторичный преобразователь измерительный, АЦП - аналогово-цифровое преобразование, ПК - персональный компьютер,

ЦАП - цифро-аналоговое преобразование, КГ - кварцевый генератор, УК - управляющий канал, ППУ - первичный преобразователь управляющий, ВПУ - вторичный преобразователь управляющий, ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, СС - схема смещения, ПО — программное обеспечение, МК - микроконтроллер, ИПТ - источник постоянного тока, ИТУН -источник тока, управляемый напряжением.

Датчик в общем случае представляет из себя четырехполюсник (с измеряемым образцом) для бесконтактных измерений в переменных электрических/магнитных полях или контактных для измерения динамических вольтамперных характеристик. В данной конструкции представляет собой дифференциальный датчик с тремя катушками: для задания переменного (ППУ2), постоянного (ППУ1) полей и для генерации сигнала отклика ППИ1.

Управляющий канал и ЦАП (Рис. 1.) состоят из микроконтроллера (МК), связанного с персональным компьютером (ПК) посредством гальванической развязки 1 и преобразователя USB-UART. К МК с помощью параллельного интерфейса подключены три генераторных канала (УК1-УКЗ) и канал задания постоянной составляющей (УК4). Выходы УК1-УК4 подключены к четырехканальному сумматору. Каждый из трех УК имеет одинаковую конструкцию и состоит из цифрового синтезатора частот (DDS), масштабирующего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и сверхмалошумящих прецизионных операционных усилителей для схемы сдвига уровня.

Для формирования в датчике переменного тока использован ИТУН (ВПУ1), изготовленный на базе мощного высоковольтного (± 60 В) прецизионного операционного усилителя в стандартной схеме включения ИТУН с заземленной нагрузкой.

Измерительный канал и АЦП состоят из двух одинаковых инструментальных предусилителей, двух фильтров нижних частот (ФНЧ) на 300 кГц, двух схем смещения для добавления постоянной составляющей (ВПИ1, ВПИ2), двух независимых синхронных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), находящихся в одном корпусе, гальванической развязке и преобразователя USB-UART.

Ядром управляющей системы является специализированный процессорный модуль (Atmel AT91SAM9G45) с ядром ARM926 и частотой работы 400 МГц.

Программный блок измерительного и управляющего каналов состоит из: программы управления УК и программы управления ИК. Программа приложения, реализующего получение отсчетов быстродействующего АЦП написана в среде разработки IAR Embedded Workbench IDE фирмы LAR. Systems на языке С.

Управляющая интерфейсная программа написана в среде разработки Embarcadero RAD Studio Builder XE. Программа осуществляет задание всех необходимых параметров аппаратной части, таких как, задание частоты дискретизации АЦП, установка параметров порта передачи данных.

Взаимодействие программ аппаратной части и интерфейсных программ ПК производится посредством двух интерфейсов USB1 и USB2. После настройки параметров портов USB пользователь выбирает режим работы программы: «Автоматический» и «Ручной».

Автоматический режим работы предусматривает два вида измерений: с постоянной частотой и постоянной амплитудой. В первом виде измерений пользователь задает начальную и конечную частоту, шаг изменения частоты, а также амплитуду синусоидального сигнала. Во втором виде измерений

пользователь задает начальную и конечную амплитуду, шаг изменения амплитуды, а также частоту измерений.

После этого для метрологической обработки экспериментальных данных задается число циклов измерений при фиксированных параметрах. Затем нажимается кнопка «СТАРТ» и начинаются измерения с последовательным выводом в таблицу следующих физических величин, рассчитанных с помощью метода цифрового синхронного детектирования: частота и амплитуда задающего сигнала, амплитуда соответствующей гармоники сигнала отклика, сдвиг фаз соответствующей гармоники.

Одновременно с этим, создаётся база данных файлов измеренной первичной физической информации, а именно, отсчеты задающего сигнала и отчеты сигнала отклика. В основу проведения исследования положен четырехзажимный взаимоидукционный метод. В рамках метода в катушке Ы (ППУ1) создается переменное магнитное поле к=Ът -соз(ш). В центре катушек Ы иЬ2 создается суперпозиция практически однородных переменного и постоянного магнитных полей: Н= кт-со$(ш1)+Но. Именно в эту область помещается дифференциальный датчик ППИ1.

Катушка ППИ1 разделена на две идентичные по параметрам секции (измерительную и компенсационную), имеющие встречное включение. Каждая из секций намотана на цилиндрический стеклянный каркас.

При установке образца ВТСП керамики УВа2Сиз07-х с нелинейной магнитной восприимчивостью в измерительной секции катушки ППИ1 наводится сигнал сложной формы, содержащий также и высшие гармоники тестового сигнала. ЭДС компенсационной секции катушки ППИ1 содержит только первую гармонику. Так как катушки соединены дифференциально, то в выходном сигнале вклад высших гармоник, несущих информацию об изучаемом материале, будет значительно заметнее. Вся система помещается в сосуд Дьюара, наполненным жидким азотом.

Выход ИТУН (ВПУ1) последовательно включен с эталонным измерительным резистором (ППИ2). Сигнал этого резистора пропорционален переменному магнитному полю, создаваемому в катушке 1Л. Сигнал с дифференциального датчика (ППИ1) вместе с сигналом эталонного резистора (ППИ2) одновременно поступают на АЦП1 и АЦП2. Где происходит синхронная оцифровка этих сигналов, занесение отсчетов в память и передача в ПК через интерфейс иБВ2.

Согласно данной схеме измерений запускаются интерфейсы пользователя автоматический или ручной. Устройство производит получение и сохранение первичной физической информации. После этого запускается интерфейс пользователя, необходимый для построения семейств зависимостей измеренных физических величин при различных параметрах.

В третьей главе также описана ИИС для управления процессом изготовления ВТСП-керамики. Разработана и изготовлена аппаратная часть комплекса, (рис. 2), включающая силовой модуль из состава установки "Космос" (ОУ) и оригинальные управляющий и измерительный каналы вместе с АЦП и ПО ПК.

Реактор с нагревателями

вгга

I

Симисторный блок

Блок четырех термопарных усилителей с компенсацией напряжения на холодном спае

I

ик

I

Разработанный управляющий канал и АЦП используется для:

- оцифровки выходных сигналов измерительного модуля, пропорциональных температурам в реакторе;

- формирования управляющих сигналов для симисторного блока из состава ОУ;

- обеспечения связи с ПК посредством интерфейса USB;

- поддержки обмена информацией с оператором установки через GSM канал. Оригинальный управляющий канал предназначен для контроля

температуры реактора в нескольких точках.

В связи со значительными статическими потенциалами предусмотрена гальваническая развязка микроконтроллера как с ПК, так и с силовым модулем.

____________ __________________________________________________Для

управления симисторами ОУ используется еще один гальванически независимый канал связи

(гальваническая развязка 2 и схема управления мощностью). Для формирования сигналов управления симисторами ОУ используется схема управления мощностью с

гальванической развязкой 2. Для

обеспечения обмена информацией с оператором ИИС использован

ППИ

—I

<тз_

Четырехканальный масштабирующий усилитель

Прербраэрватель USB <-> UART 2

АЦП 11 АЦП 21 АЦП 3|АЦП 4

Управляющее ПО МК

Л11П\

Рис. 2. Структурная схема информационно-измерительной системы для управления процессом изготовления ВТСП-керамики YBa2Cu307-x.

ОУ - объект управления, ППИ — первичный преобразователь измерительный, ВПИ - вторичный преобразователь измерительный, ИК - измерительный канал, АЦП - аналогово-цифровое преобразование, ПК - персональный компьютер, УК -управляющий канал, МК - микроконтроллер.

GSM/GPRS модем GR-64, подключенный к ПК с помощью USB. Данная конструкция ИИС обеспечивает двухсторонний обмен данными - позволяет как передавать информацию на заданный номер абонента GSM, так и принимать от него команды управления ИИС.

Программная часть ИИС имеет две составные части - управляющая программа для микроконтроллера и интерфейсная программа ПК. При этом на микроконтроллер возложены задачи установления и поддержания целевой температуры в реакторе. Задание этой температуры проводится интерактивно в интерфейсной программе для ПК.

Стабилизация температуры производится программно по классическому ПИД-закону регулирования. Особенностью схемы является дискретный алгоритм формирования выходной мощности, реализованный за счет изменения числа полупериодов сетевого напряжения, переданного на симисторный блок за отчетный интервал времени.

Интерфейсная программа для ПК написана в среде разработки Embarcadero RAD Studio Builder ХЕ. Программа оформлена в виде трех вкладок: настройка СОМ-порта, ручное управление и автоматическое управление.

В четвертой главе описываются результаты численного моделирования поверхностного импеданса и метода восстановления параметров среды, приведены метрологические и технические характеристики как отдельных модулей и блоков, так и всей ИИС для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях, а также оценка методических погрешностей, используемых в работе методов. Определение метрологических характеристик производилось с использованием ГОСТ 8.009-84, устанавливающим их номенклатуру, правила выбора, нормировки и отражения для конкретных типов средств измерений в нормативно-технических документах.

В первом и втором разделах главы приведены результаты численного моделирования поверхностного импеданса, и оценка методических погрешностей метода восстановления параметров среды. При измерениях с помощью экспериментальной установки определяются вещественные и мнимые составляющие комплексного импеданса цилиндрического образца. Также существенным параметром является радиус образца R. Оценка влияния точности определения R = Ro + AR на точности восстановления относительной проводимости а = (7о + Асу определяется следующим выражением: Асг _ хго\кR - IcoseJona^tsR + 2соеей{т - па) сг0 4/осг0 +4as£0km<T0R0 -3x2R0crl -2а>(т -псо)ее0 ' ^

Аналогичные вычисления для £ = £•' + As и R = R0 + AR получаем влияние

точности определения радиуса на ошибку восстановления е:

Дб x2cr2AR-2eos'snkmaAR , „

— —----(3)

£•' 2as's0kmoR0 - 2cos's0(m - na)

Анализ точности метода показывает довольно высокую устойчивость результатов восстановления к погрешности определения радиуса образца.

Во третьем разделе главы представлены методические погрешности методы цифрового синхронного детектирования. Численно синтезировался тестовый моногармонический сигнал и полигармонический сигнал с различными амплитудами и фазами. К обоим сигналам добавлялся аддитивный шум '£,,(/) с нормальным распределением. Исследуемая система сигналов имеет вид:

S,(t)=A,sin(cot+<p¡) + t) (4)

S2(t) =A2lSÍn(C0t+(p2l)+ A22SÍn(a)t+(p22)+ A23SÍn(cOt+(p23)+ A24SÍn(COt+(p24)+ A25SÍn(mt+<p2S) + &(t),

где A2I, А22, А2з, А24, А25 - амплитуды пяти гармоник сигнала S2(t), <p2i, (р22, <р23, 4, (р25 — фазы пяти гармонических составляющих, Çi(t), Ç2(t) — гауссов шум с нулевым средним.

Исходя из наихудших технических параметров генераторной части установки [A4] отношение сигнал/шум для тестового сигнала задано на уровне 80 дБ, а уровень шума сигнала отклика среды Ç2(t) варьировался при тестировании.

Для увеличения точности решения применён один из методов цифровой фильтрации сигналов - алгоритм аппроксимации данных с применением регрессионного сплайна со штрафной функцией, производящий фиттинг коэффициентов сплайна ко всем точкам реальных экспериментальных данных путем минимизации ошибки аппроксимации между сплайном и экспериментальными точками вместе со штрафной функцией, подавляющей нелинейность.

(а) (б)

Рис. 3. Зависимость ошибки восстановления амплитуды (а) и фазы (б) для первой гармоники

полигармонического сигнала.

При отношении сигнал/шум (рис. 3) БИЯ = 40 дБ, относительные ошибки восстановленных параметров не превышают 0.5 % уже при N = 500 точек/период, а после порога N = 3000 точек/период уровни ошибок не превышают 0.1 %. Значение N = 500 точек/период вполне достижимо аппаратной частью [А4], что делает возможным применение данного метода в реальном эксперименте.

Точность восстановления амплитуды с применением регрессионного сплайна со штрафной функцией для фильтрации зашумленного сигнала отклика достигает уровня 0.5 % при шумах порядка 16 дБ. Без фильтрации данный показатель значительно хуже - 21 дБ. Восстановление фазы с применением регрессионного сплайна с точностью 0.5 % достигается при уровне шума БЫЛ = 28 дБ и 36 дБ без него.

В четвертом и пятом разделах главы получены метрологические и технические характеристики отдельных модулей, и всех блоков комплекса. Таблица 1 содержит основные параметры системы.

Табл. 1. Характеристики комплекса.

Параметр Значение

Частотный диапазон 1 Гц - 1 МГц

Шаг по частоте 1 Гц

Максимальный выходной ток И 1 УН до 10 А

Регулируемый коэффициент усиления 1 » 1000

Точность под держания частоты 0.0291 Гц

КНИ не более 0.03 %

СПМ шума, приведенного ко входу до 80 нВД'Гц

Среднеквадратичное отклонение амплитуды измеренного синусоидального сигнала не более 0.01%

Среднеквадратичное отклонение сдвига фаз двух сигналов с одинаковой частотой не более 0.001%

Максимальная частота дискретизации до 1 М8МР

Рабочая частота дискретизации до 100 К8МР

Количество синхронных каналов АЦП 2

Объем выборки данных на канал ООИ2 256 МВ (до 9-10712-битиых отсчетов)

Частота работы процессора А1Ш9 400 МГц

Типы генерируемых сигналов Синусоидальный, прямоугольный

Сопряжение с ПК два интерфейса ШВ с независимьми гальваническими развязками

Специализированное программное обеспечение ПК Программный комплекс с ручным и автоматическим управлением

В шестом разделе главы получены метрологические и технические характеристики всей системы в целом. Для этого проведена поверка с помощью известных линейных и нелинейных электрических цепей.

С помощью оригинального специализированного программного обеспечения персонального компьютера происходило построение динамических характеристик: амплитудно- и фазо-частотные характеристик (АЧХ и ФЧХ) линейных цепей и вольтамперных характеристик (ВАХ) нелинейных цепей.

Графики зависимостей АЧХ и ФЧХ показали, что максимальное отклонение экспериментальных точек от теоретических составляет не более 0.3 %. Таким образом, для линейных электрических цепей устройство показывает

Рис. 4. Теоретически и экспериментальные частотные зависимости модуля (а) и аргумента (б) поверхностного импеданса для медного цилиндрического образца.

В качестве нелинейного четырёхполюсника использовалась схема с различными диодами, включенными по схеме двухполупериодного выпрямителя. Зависимости мгновенных значений задающего сигнала от сигнала отклика позволили получить ВАХ диода. Расчет прямого падения напряжения, полученного из экспериментальной ВАХ, показал хорошее совпадение со справочными данными.

Проводилась также поверка с помощью цилиндрических образцов линейных однородных веществ. На рис. 4 представлены частотные зависимости модуля (а) и аргумента (б) поверхностного импеданса для цилиндрического медного образца радиусом 10 мм и длиной 25 мм. Отклонение экспериментальных значений от теоретических составляет не более 0.5%.

Применение метода восстановления параметров среды позволило определить внутренние параметры материала образца сг, ¡л, е исходя из экспериментально полученной частотной зависимости поверхностного импеданса образца. Относительная погрешность восстановления этих параметров не превышает 3%.

В седьмом разделе главы приведены результаты тестирования и получения метрологических характеристик ИИС для управления процессом изготовления ВТСП-керамики. Исходные данные для тестирования выбирались, исходя из рабочих характеристик реактора с блоком нагревателей установки отжига самарий-кобальтовых магнитов. Установлено, что: диапазон поддерживаемых температур рабочей зоны реактора 200 1000 °С, относительная погрешность задания температуры в диапазоне 200 - 500 °С составляет 0.015 %, в диапазоне 500 - 1000 °С составляет 0.003 %, относительная погрешность задания температур в любой точке рабочей зоны 0.15 - 0.3 %. Управляющий комплекс имеет сопряжение с ПК (интерфейс USB), беспроводной мониторинг и управление осуществляется посредством SMS-сообщений, реализован ПИД-закон регулирования ОУ. Возможна автономная работа комплекса.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований нелинейных параметров ВТСП-керамики УВагСизО?-* с применением разработанных методов и ИИС. Исходя из свойств аппаратной и программной частей ИИС, позволяющей синхронно оцифровывать задающий гармонический сигнал переменного внешнего магнитного поля h(t), в отсутствии постоянного, и сигнал отклика U(t) сверхпроводящего образца, проведен цикл измерений. Описан процесс синтеза иттриевого высокотемпературного сверхпроводника с использованием разработанного и изготовленного управляющего аппаратно-программного комплекса по автоматизации процесса изготовления ВТСП-керамики согласно методу твердофазного синтеза без обжига в среде кислорода.

С помощью разработанного и изготовленного аппаратно-программного комплекса по автоматизации процесса изготовления высокотемпературных сверхпроводников были получены 10 цилиндрических образцов длиной 30 мм и диаметром 12 мм.

Для каждого из 16 значений частот в диапазоне от 288 Гц до 1368 Гц с шагом в 72 Гц менялась амплитуда приложенного переменного магнитного поля hm в диапазоне от 5 до 30 Ое с шагом в 2.5±0.01 Ое (рис. 5 - рис. 8). Каждое из измерений состоит из 8-103 отсчетов задающего внешнее магнитное поле сигнала и 8000 отсчетов сигнала отклика с частотой дискретизации 6-105 отсчетов в секунду. Шаг по частоте выбирался таким образом, чтобы исключить влияние помехи промышленной частоты 50 Гц.

Данные результаты (рис. 7 - рис. 8) хорошо согласуются со многими работами, где считается, что величина сигнала отклика 11(1) определяется изменением намагниченности исследуемого образца М. Следовательно, сигнал отклика Щ), полученный в данной работе, можно считать модулем намагниченного образца, а высшие гармоники - гармониками намагниченности.

Рис. 5. Зависимость мгновенных значений

сигнала отклика Щ) от мгновенных значений внешнего магнитного поля Ъ(()

при различных амплитудах кт: 1 - К=5 Ое, 2 - К=10 Ое, 3 - К=15 Ое, 4 - Ит=20 Ое, 5 - Ьт=25 Ое, 6 - кт=30 Ое.

И, Ое

Рис. 6. Зависимость первой гармоники сигнала отклика Ш от амплитуды внешнего магнитного

ПОЛЯ Пт для различных частот/: 1 -/=1368 Гц, 2 -/=1080 Гц, 3 -/=864 Гц, 4 -/ =720 Гц, 5 -/=576 Гц, (,-/=432 Гц, 1-/=288 Гц.

Рис. 7. Зависимость амплитуд нечетных гармоник, начиная с третьей, сигнала отклика Ип от амплитуды внешнего магнитного поля Ит на частоте 1008 Гц

Рис. 8. Зависимость амплитуд нечетных гармоник, начиная с первой, сигнала

отклика ип от частоты внешнего магнитного поля/. Первая гармоника

уменьшена в 8 раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана и изготовлена новая информационно-измерительная система для проведения физического эксперимента по исследованию амплитуд и фаз высших гармоник цилиндрических образцов ВТСП-керамики. Применение современной элементной базы и технологий программирования позволило существенно увеличить точность, чувствительности и быстродействие измерений за счет улучшения технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, что определяет эффективность внедрения новейших достижений науки и техники в практику создания систем подобного

рода. Метрологические характеристики и результаты поверки обуславливают возможность применения информационно-измерительной системы и для исследования линейных и нелинейных четырехполюсников различной природы -от измерения АЧХ и ФЧХ электрических цепей (ФНЧ, ФВЧ, полосовые фильтры, конденсаторы, резисторы и т.д.) до исследования нелинейных сред. Информационно-измерительная система имеет сопряжение с компьютером с помощью двух иБВ-интерфейсов и оригинальное программное обеспечение для работы с ним. Предусмотрена также и автономная работа.

2. Теоретически обоснована и численно проверена (оценены методические погрешности) возможность определения параметров материала а, ц, е цилиндрических образцов методом восстановления параметров среды по интегрально измеренным частотным характеристикам поверхностного импеданса. С помощью данного метода проведены контроль и испытание разработанной информационно-измерительной системы.

3. Разработана и изготовлена новая информационно-измерительная система для управления процессом изготовления ВТСП-керамики. Информационно-измерительная система позволила существенно упростить процесс изготовления данных образцов. Изготовлены цилиндрические образцы для проведения экспериментальных исследований.

4. Информационно-измерительная система для управления исследованием ВТСП-керамики позволила получить новые измеряемые физические величины, которые не могли быть получены ранее из-за несовершенства электронных средств. Для цилиндрических образцов иттриевой керамики получены цифровые синхронные отсчеты мгновенных значений полигармонического сигнала отклика сверхпроводника и внешнего переменного магнитного поля в широком диапазоне частот и амплитуд. С помощью разработанного метода обработки экспериментальных данных - метода цифрового синхронного детектирования -получены амплитудные и частотные зависимости высших гармонических составляющих сигнала отклика.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК

1. Глухов А.Ю. Цифровой синхронный измеритель поверхностного импеданса /Глухов А.Ю., Негинский И.В. // Инженерный вестник Дона, Номер 2, 2012. Режим доступа: [http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/760].

2. Глухов А.Ю. Применение метода синхронного детектирования для оценки спектра полигармонического сигнала /Глухов А.Ю., Негинский И.В. // Цифровая обработка сигналов.- 2012, № 4,- с. 26-28.

3. Глухов А.Ю. Аппаратно-программный комплекс по автоматизации процесса изготовления высокотемпературных сверхпроводников / Глухов А.Ю., Негинский И.В. // Автоматизация в промышленности.-2013, № 9.- с. 47-52.

4. Глухов А.Ю. Устройство для автоматического исследования нелинейных параметров ВТСП-керамики УВагСизСЬ-х в переменных магнитных полях / Глухов А.Ю., Негинский И.В. //Инженерный вестник Дона, Номер 2, 2013. Режим доступа: [http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1727].

Патенты, свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ

5. Глухов А.Ю. Устройство для автоматического регулирования температуры с беспроводной передачей измерительной информации / Глухов А.Ю., Черныш A.B. // Патент на полезную модель №126157 РФ, заявл. 03.08.2012, дата выдачи 05.09.2012.

6. Глухов А.Ю. Программа управления быстродействующей системой цифровой обработки сигналов на базе процессорного модуля с ядром ARM-9 / Глухов АЛО., Арзуманян Г.А., Квочкин А.И.//Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012614991, зарегистр. 4.06.2012.

7. Глухов А.Ю. Программа для оценивания параметров полигармонических сигналов/ Глухов А.Ю., Арзуманян Г.А. // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012618758, зарегистр. 26.09.2012.

8. Квочкин А.И. Программа двухканального сбора данных на базе процессорного модуля с ядром ARM-9 и фиксацией отсчетов на SD носителе / Квочкин А.И., Глухов АЛО., Арзуманян Г.А. // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012660597, зарегистр. 23.11.2012.

Публикации в сборниках научных статей, материалах конференций

9. Глухов А.Ю. Исследование метода восстановления параметров линейных однородных веществ по экспериментально измеренной частотной зависимости поверхностного импеданса / Глухов А.Ю., Негинский И.В. // Вестник Волгоградского государственного университета, Выпуск 13, 2010, Серия 1 Математика, Физика. - С. 113117.

10. Глухов А.Ю. Аппаратно-программный комплекс по изготовлению ВТСП-керамики / Глухов А.Ю. // Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученных - Екатеринбург: Изд-во АСФ России, 2011. - с. 534-535.

11. Глухов А.Ю. Цифровой синхронный измеритель параметров гармонических сигналов / Глухов А.Ю. // Восемнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученных - Красноярск: Изд-во АСФ России, 2012. - с. 551-552.

12. Арзуманян Г.А. Цифровой синхронный измеритель частотных характеристик на базе процессора ARM9 / Арзуманян Г.А., Глухов A.IO. Н Восемнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученных -Красноярск: Изд-во АСФ России, 2012.-С. 545-546.

13. Глухов А.Ю. Быстродействующая система цифровой обработки сигналов на базе процессорного модуля с ядром ARM-9 / Глухов А.Ю. // Материалы Всероссийской молодежной научной школы «Актуальные проблемы физики». - Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2012. - с. 138 - 139.

14. Glukhov A.U. Hardware and software system to measure the parameters of harmonic signals with a wide range / Glukhov A.U. // European Science and Technology: materials of the Ш international research and practice conference, Vol. I, Munich, October ЗОл-ЗР', 2012 / publishing office Vela Verlag Waldkraiburg - Munich - Germany, 2012, 712 p. - p. 153 - 161.

15. Глухов А.Ю. Погрешности в оценке спектра полигармонического сигнала методом цифрового синхронного детектирования / Глухов А.Ю. II Девятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученных -Екатеринбург-Красноярск: Изд-во АСФ России, 2013. - С. 385-386.

16. Глухов А.Ю. Аппаратно-программный комплекс для исследования высших гармоник сигнала отклика высокотемпературного сверхпроводника / Глухов А.Ю. // Сборник научных трудов 1-й Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем". Выпуск: 1-1, М., - 2013, с.312-316.

Подписано в печать 12.02 2014 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ 44.

Издательство Волгоградского государственного университета. 400062 Волгоград, просп. Университетский, 100. E-mail: izvolgu@volsu.ru