автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Методы и средства бесконтактных электромагнитных измерений и диагностирования

Актуальность работы.

Эффективный контроль разнообразных технологических процессов и качества современных технических средств, обеспечение их надежной и безопасной эксплуатации требуют постоянного совершенствования методов и средств измерений (СИ) и диагностики. На практике перед разработчиками СИ все чаще ставятся задачи, в которых получение необходимых метрологических и диагностических возможностей требует применения бесконтактных способов получения информации о контролируемых объектах. Это позволяет снимать принципиальные ограничения на исследуемые процессы и объекты, получать информацию о них в реальных режимах эксплуатации, без отключения, демонтажа и остановки оборудования, контролировать параметры объектов в движении, обеспечивать съем полезной информации о работе отдельных узлов и элементов, принципиально недоступных для традиционных контактных средств измерения.

Электромагнитные измерения, являющиеся одним из перспективных направлений развития бесконтактных методов измерения на основе применения первичных измерительных преобразователей и датчиков параметров электромагнитного поля, позволяют получать информацию как о магнитных, так и об электрических и других физических величинах, характеризующих режимы работы и состояние контролируемых объектов.

Развитию и применению электромагнитных методов измерений как чисто научного, так и прикладного характера в самых различных областях посвящено большое число исследований и разработок отечественных и зарубежных ученых. Такие исследования успешно проводили отечественные ученые Ю.В. Афанасьев, В.И. Дрожжина, Ю.Ф. Пономарев, М.А. Розенблат, Б.М. Рогачевский, Г.И. Разин, А.П. Щелкин, Р.И. Янус и другие, а также зарубежные ученые и специалисты Д.Беквит, М.Вурм, В.Гейгер, РЛоттер, Е.Фелч, Р.Хант и другие.

В то же время очевидно, что научно-технический прогресс и необходи-»""угь проведения исследований и решения вновь возникающих на практике проблем в этой перспективной, интенсивно развивающейся области техники, требуют постоянного совершенствования электромагнитных методов и средств измерений физических величин, обобщения, дальнейшей разработки и разви-■ чя научно-практических основ таких измерений.

В частности, проблемы создания высокоточных СИ параметров магнитного поля для отработки систем космической навигации потребовали совершенствования и разработки новых методов и структур аналого-цифрового преобразования векторных параметров магнитного поля с погрешностями измере-ш я порядка (0,01-0,03)% и угловой разрешающей способностью не более 1угл. мин.

Для решения актуальной проблемы энергосбережения за счет совершенствования технологии электролизных процессов возникает необходимость измерения параметров магнитного поля в зоне расплава электролизной ванны при температуре свыше 1200 К, в том числе контроль распределения магнитного поля в межэлектродном пространстве, недоступном для прямых инструментальных измерений. Для этого необходимы специальные электромагнитные СИ, обеспечивающие достаточно высокие метрологические характеристики в тяжелых условиях эксплуатации, а также разработка методов косвенных измерений для определения параметров магнитного поля в недоступных зонах. Аналогичные проблемы возникают при необходимости испытаний разнообразного оборудования на соответствие норм электромагнитной совместимости, при измерении характеристик электромагнитных полей морских судов и других объектов.

Вместе с необходимостью совершенствования и развития методов непосредственного измерения параметров электромагнитного поля, свойств магнитных материалов, магнитной дефектоскопии наметилась устойчивая тенденция расширения областей эффективного применения электромагнитных приборов и систем для бесконтактных измерений электрических сигналов при не-разрушающем контроле и диагностировании современного электронного и электротехнического оборудования, измерении токов в электроннолучевых приборах, пучках заряженных частиц, а также биотоков и биопотенциалов в живых тканях и биологических структурах.

Необходимость внедрения и совершенствования энергосберегающих технологий сделала весьма актуальной решение проблемы бесконтактного измерения и регулирования больших токов в энергоемких технологиях электроплавильного, химического и, в особенности, электролизного производств и выплавки алюминия. Расширение диапазона бесконтактного измерения токов до 300000 и более ампер с погрешностью порядка (0,1-0,5)% требует применения и совершенствования высокоточных автокомпенсационных методов и измерительных схем, проектирование которых сопряжено с разработкой специальных мер обеспечения теплового режима электромагнитных преобразователей и устойчивости системы при сильных входных воздействиях.

Актуальность поиска и разработки новых электромагнитных методов измерения и диагностирования особенно возросла в связи с интенсивным развитием микроэлектроники, компьютерной техники и средств высокоплотной магнитной записи и считывания информации на тонких магнитных и магнитооптических пленках. Для этих целей потребовалось создание не существовавших в практике приборостроения микроминиатюрных высокочувствительных электромагнитных датчиков с максимальным размером менее 1 мм для измерения полей рассеяния порядка 0,1-1,0 мкТл, создаваемых относительно слабыми электрическими сигналами электронных схем, а также разработка высокочувствительных методов и средств измерения параметров тонких магнитных и магнитооптических пленок и сверхмалых количеств вещества.

Проблемы организации таких измерений обусловлены необходимостью миниатюризации чувствительных элементов при обеспечении высокой чувствительности, а также трудностями нормирования и реализации метрологических характеристик, которые зависят не только от параметров электромагнитных датчиков, но в значительной степени определяются воспроизводимостью и стабильностью параметров функционального преобразования измеряемых физических величин в эквивалентные параметры электромагнитного поля.

Для однозначной количественной оценки этих функциональных преобразований в работе предложен комплексный подход, учитывающий характеристики измерительных преобразователей и объекта измерения, их взаимного положения и динамики перемещения, влияния соседних, близко расположенных элементов, а также условий воздействия внешних электромагнитных и других видов помех. Реализация этого подхода требует проведения анализа, разработки и обобщения методов и средств бесконтактного съема и преобразования информации с количественной оценкой метрологических характеристик, анализа и оптимизации вариантов структурной, конструктивно- технологической и схемотехнической реализации бесконтактных средств измерения с учетом особенностей объектов измерения и влияния помех, решением вопросов рациональной организации и временной синхронизации стимулирующих воздействий и способов обработки результатов бесконтактных измерений при диагностировании сложных программно-управляемых объектов. В этой связи особую актуальность приобрели обоснование и разработка комбинированных диагностических процедур пространственно-временной локализации динамических дефектов методом динамического токового анализа микропроцессорных систем, рационально объединяющего возможности бесконтактных методов измерения и стимулирования импульсных сигналов с современными методами логического и сигнатурного анализа цифровых схем.

Таким образом исследования, связанные с проектированием и разработкой бесконтактных электромагнитных средств измерения и диагностирования, являются актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение.