автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка средств электромагнитной диагностики оборудования телекоммуникационных сетей и оценка эффективности комплексных систем контроля

ЗАМЛЛДИНОВ РАШИТ МИРСАЕВИЧ

1а Правах рукописи

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ

г

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

т

Москва, 2004 г.

Работа выполнена в Московской государственной академии приборостроения и информатики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ковалев А.В.

Официальные оппоненты:

Покровский А.Д. доктор технических наук, профессор

Терехов Ю.Н. кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация ЗАО МНПО "СПЕКТР"

Защита состоится "27" апреля 2004 г. в 14е® часов на заседании диссертационного совета Д 252.119.01 в Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу: 107846, г. Москва, Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии. Автореферат разослан "25" марта 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.В.Филинов

2Ю6ПЧ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность.

С ростом функциональной и аппаратурной сложности телекоммуникационных сетей (ТКС) резко увеличивается трудоемкость контрольно-диагностических операций на стадии их эксплуатации. Весьма важную роль в надежности работы ТКС играет своевременное выявление некачественных электрических соединений, как в соединениях линий связи, так и в соответствующих электронных блоках. Как показывает практика, интенсивность отказов электрических соединений в ТКС составляет до 10"6 в час. Из них до 20% отказов происходит из-за неустойчивого электрического контакта, а удельный вес отказов электрических контактов достигает до 95% от всех неисправностей физического уровня, встречающихся при эксплуатации ТКС. Неустойчивость электрического контакта происходит при наличии дефектов в разъемных или паяных соединениях, что снижает надежность соединения. При температурных, химических и механических воздействиях сопротивление контактного перехода в дефектном соединении случайным образом изменяется, что приводит к периодическому нарушению контакта с его последующим восстановлением. Обнаружение неустойчивых контактов традиционными методами измерения электрического сопротивления возможно только на заключительной стадии разрушения соединения при переходе неустойчивого контакта в обрыв или короткое замыкание цепи. Для обеспечения непрерывной работы ТКС необходимо своевременно выявлять склонные к отказу соединения и давать количественную оценку их надежности. В связи с этим разработка приборных средств для бесконтактного обнаружения неустойчивых электрических контактов и оценки степени их надежности достаточно актуальна.

1.2. Состояние проблемы.

Для выявления некачественных соединений в настоящее время наиболее широко используются методы внутрисхемного контроля и испытаний, базирующиеся на измерении электрических напряжений и параметров цепей. Применение этих методом не обеспечивает требуемой производительности и оперативности из-за необходимости электрического контакта между измерительным прибором и контролируемым объектом. В последние годы для выявления некачественных соединений все большее применение находят бесконтактные методы, основанные на измерении параметров электрических и магнитных полей. Однако имеющиеся приборы, в частности, не удовлетворяют требованиям практики, так как предполагают последовательный контроль разными типами первичных преобразователей и не дают количественной оценки надежности соединения.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности диагностики оборудования телекоммуникационных сетей, путем разработки электромагнитных способов и средств оперативного обнаружения и оценки качества разъемных и паяных соединений пониженной надежности (СПН).

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

• выбрать математические модели, наиболее адекватно описывающие функции распределения электромагнитного поля в структурах проводников, характерных для ТКС;

• разработать математические модели, описывающие функции распределения электро-ма! нитного поля над системой проводников при стимулирующем механическом воздействии, вызывающем вибрацию (динамический режим);

• математически описать электромагнитные процессы в цепях с СПН;

• разработать конструкцию и определить оптимальные параметры комбинированных преобразователей для одноврем( Н^Ц регистрации магнитной и электрической составЬ • 'НА

ЯЮ&Рк

г • ,,рг

ляющих электромагнитного поля излучения, генерируемого СПН;

• провести экспериментальные исследования, дополняющие и уточняющие результат теоретического анализа на базе выбранных и разработанных математических моделей;

• на основе проведенных исследований разработать способы измерения параметров сигналов, характеризующих качество соединения в паяных и разъемных соединениях;

• разработать электромагнитные средства выявления и оценки качества СПН, а также соответствующее метрологическое обеспечение;

• разработать математический аппарат для анализа эффективности систем контроля качества ТКС.

1.4. Методы исследования:

Теоретические исследования выполнены на основе аналитических моделей, базирующихся на классических уравнениях электромагнитною поля, теории вероятностей и математической статистики. Результаты теоретического анализа подтверждены и дополнены данными экспериментальных исследований, проведенных на аттестованной контрольно-измерительной аппаратуре.

1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработаны математические модели электромагнитного взаимодействия первичных преобразователей с характерной для ТКС структурой проводников в динамическом режиме;

• получены оценки шумовой и информативной составляющих сигнала, генерируемого СПН в пространственной и частотной областях при наличии стимулирующего механического воздействия;

• разработаны принципы построения комбинированных первичных преобразователей для одновременной регистрации магнитной и электрической составляющих электромагнитного поля излучения, генерируемого СПН;

• предложен математический аппарат для анализа эффективности сис!ем контроля качества ТКС.

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

• разработаны средства оперативного обнаружения и оценки качества электрических соединений пониженной надежности в ТКС;

• проведен анализ эффективности различных структур диагностической системы, построенной на основе разработанных средств контроля и диагностики.

1.7. Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты работы использовались ЗАО МНГ10 «Спектр» при создании средств электромагнитной диагностики качества электрических соединений в ТКС.

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на V и VI Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Сочи, 2002, 2003г.), на 2-ой Международной научно-технической конференции «Информационная техника и электромеханика» (1ТЕМ-2003, г. Луганск, 2003 г.), на 3-ей Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2004 г.).

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работы, список которых приведен в автореферате.

1.10. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописною текста, иллю-

:трируется 45 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 210 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе рассмотрены особенности контроля качества в ТКС, дано обоснование целесообразности применения бесконтактных электромагнитных методов контроля и диагностики для обнаружения и оценки качества в ТКС электрических соединений пониженной надежности. Поставлена цель диссертационной работы и сформулированы задачи исследования, направленные на достижение поставленной цели.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию взаимодействия первичных преобразователей с электромагнитным полем проводников электрической цепи. В этой главе проведен выбор способов электромагнитной диагностики оборудования телекоммуникационных сетей, рассмотрены математические модели взаимодействия электромагнитного и емкостного преобразователей с системой проводников электрической цепи в статическом режиме, разработана математическая модель взаимодействия электромагнитного преобразователя с системой проводников электрической цепи в динамическом режиме (при стимулирующем механическом воздействии, вызывающем вибрацию проводников). Кроме того, рассмотрена математическая модель, описывающая электромагнитные процессы в цепях с дефектными электрическими соединениями и выбраны способы электромагнитной диагностики оборудования ТКС.

Анализ способов электромагнитной диагностики показал, что путем измерения магнитной составляющей электромагнитного поля можно обнаружить проводник цепи, включающей СПН, и перемещаться вдоль него, ориентируясь на величину сигнала электромагнитного преобразователя. Для определения положения СПН необходимо обнаружить скачок электрического потенциала над проводником цепи, отслеживаемым при перемещении по величине магнитной составляющей.

Таким образом, требуется по изменению сигнала электромагнитного преобразователя при его перемещении судить об изменении конфигурации проводника и перемещаться

вдоль него. Для этого необходимо установить взаимосвязь между изменением chi нала электромагнитного преобразователя и его смещением относительно проводников различной конфигурации при воздействии электромагнитных полей соседних проводников

Для отрезка линейного бесконечно тонкого проводника с током длиной 2( при г - -Ja2 +дг2 и sinа = а/г индукция В=Втих в точке А, расположенной над центром проводника (рис.1), определяется выражением

' r adx - m

шах л„\/ , , \Э12 I-Г

ЛяЦУо+^) 2xaJ\ + (y0/lf Индукция при смещении точки наблюдения на величину хО от цешра проводника получена в виде

л1 4пи

1 + х„ I-

(2)

_ + Хо) + У? л/С)2 + Уо

Применительно к решаемой задаче уО « ( значения индукции могут быть определены по приближенным формулам, которые удобны для оценки изменения индукции при смещении точки наблюдения, а также расчета индукции для проводников сложной конфигурации.

Значительная часть проводников в электронных блоках ТКС выполняется методом печатного монтажа и имеет вид плоской шины.

Тангенциальная и нормальная составляющие индукции такого поля описываются выражениями:

и0! ( 1 + х 1-х) Не I 2/у„ ,,,

В, = агс'8-+ агс'8- = Т^агс'8 2 ,2 2 (3)

4тсС{ у0 у0 ) 4л1 у20-Г+х

в, = к//МЫ1(*+/)г -,02И(*-')2 +У1\ (4)

Тангенциальная составляющая индукции В' достигает максимума над центром проводника при * =

Составляющая индукции * достигает экстремальных значений при значениях координат х = х<>-= ^ + у°

В,^ =[я„//М]х1пА/(/2 +у1 +/7йТ7г)/(/2 +У20 -Цу1 +/2) (6)

Для оценки взаимного влияния токов в близко расположенных плоских проводниках весьма удобна геометрическая интерпретация зависимости составляющей магнитной индукции Вх от координат точки измерения. Показано, что индукция /?,, характеризующая значение измеряемого тока I, прямо пропорциональна углу, под которым видно сечение плоского проводника из точки измерения А (рис. 2). Это позволило оценить соотношение полезного сигнала, создаваемого измеряемым током в проводнике 1, и помех, обусловленных, например, влиянием токов в соседних проводниках 2 и 3, и наилучшим образом выбрать положение ЭМП. Из рис. 2 следует, что точку измерения А необходимо приближать к центру проводника с измеряемым током, что ведет к увеличению полезного сигнала, который пропорционален углу «1. Одновременно снижается помеха, обусловленная током в компланарном проводнике 2, уровень которой характеризуется углом оь. Отсюда следует вывод о целесообразности измерения Ях, если все проводники лежат в одной плоскости. При многослойной структуре, когда плоскости проводников могут быть параллельны (например, проводники 1 и 3), ослабление влияния проводника 3, ха-

рактеризуемое углом ОТ], существенно меньше. В таких случаях более эффективно измерение градиента составляющей индукции Ву.

Погрешность 5, вносимая влиянием тока соседнего компланарного проводника 2 с током, и ослабление в его индукции в точке измерения А определяются выражениями: . _ /, + И)/у.]- агсф -/)/>■„]} ^ ¡гагс18[21у0/Уг +Иг-12)]

21,аг^{1/у„) 21,агс18(11у 0)

С = Я,«, 'В, =[21,0^(1/ус)]/{12аГс^[21у„/{уг0 + А2 +/2)|

6 = -

Для плоскопараллельного проводника 3 с током /3:

(7)

(8)

(9) (10)

Рис. 2. Геометрическая интерпретация влияния тока в соседних проводниках У

Рис. 3. Модель для расчета влияния вибрации

При стимулирующем механическом воздействии расстояние между проводниками с током и ЭМП изменяется во времени по гармоническому закону. Это приводит к появлению паразитного сигнала ЭМП, создаваемого системой вибрирующих проводников.

Закономерности формирования магнитного поля системой вибрирующих провод-

ников с током исследовались с помощью расчетной модели, представленной на рис 3.

Для математического описания соответствующих взаимосвязей использовался

векторный потенциал Л.

Если проводник совершает гармонические колебания в плоскости z, ю

h2- Hг + hm sin a>t и A, = Я, + ha sin m (11)

Дифференцируя полученную в работе функцию потокосцепления, определим закон

изменения во времени э.д.с., наводимой в катушке ЭМП

luJ , е = • wh. eos at х

. а,+ (Я, +hmsïs\ùX) , а: +(H, + h sin ail)

a, In-J—1—2---V + ln-*—s—2----r +

û, + (Я, + A_sinú*) at + (Я, + hm sin cot)

+ 2

, . „ Я, + h sin eat ... , . . H. +h„ sin<af (//, + hm —-----(//, i hm sm (ùt)arcctg—!---

+ 2

..... . H,+h„úncat ... , ■ , H.+húnaX

(Я, + hmsintal)arcctg—2----(Я, +h sin(otyarcctg—!----

at a,

. а?+(Я, +h s'müM)1 , a, +(H, + /i sinû*)2

-a. In——i—^-=-+ In———2--

o5 + (Я, + Ли5тй*) Û6 + (Я, + A„sinû>f)

... , . Я, + h sin lût ,,, . Я. + h sin (Ы (Я, + hm sin cot)arcctg —-----(Я, + nm sin M)arcclg —1---

... , . Я.+А sinú* , . . H.+h sinon (Я, + hm sin (ot)arcctg—2----(Я, + /гш sin cot)arcctg —1---

(12)

где а + а> =а>; я-«, =о4. а + а2 = а5. а-а2=а6

На основе выражения (12), пользуясь принципом суперпозиции, можно рассчитать изменение выходного сигнала ЭМП, перемещаемого над системой плоских проводников с различной величиной и направлением тока в них. Это позволяет оценить уровень пара-зигного сигнала, наводимого в измерительной катушке ЭМП за счет вибрации.

В соответствии с принятой процедурой измерения обнаружение СПН с точностью до проводника выполняется ЭМП, а положение СПН в цепи с обнаруженным проводником - емкостным преобразователем (ЕП) по скачку потенциала.

Для оценки погрешности от изменения зазора Ь при использовании плоского электрода для измерения потенциала на цилиндрическом проводнике можно воспользоваться формулой для расчета рабочей емкости электрода и получить

1п[2*'/(гй)1

1п[2(Л + М)2 /И] (13)

Полученная зависимость может быть применена также для оценки погрешности при измерении напряжения на плоском проводнике шириной 2Ь с помощью выпуклого цилиндрического электрода радиуса г. Применение электродов с такой формой рабочей поверхности имеет преимущества из-за меньшей зависимости выходного сигнала от углового положения электрода относительно поверхности проводника. Изменение взаимного углового положения электрода и проводника наиболее сильно влияет на результаты измерения потенциала емкостным преобразователем.

При наклоне оси преобразователя с радиусом электрода г на угол а от исходного состояния происходит одновременное увеличение зазора Ь между электродом и проводником. С приемлемой для практики погрешностью можно принять, что емкость при этом изменяется следующим образом:

g

с:

2лег

(Исоъа + г1 ъ'та^^соъа + /■, ята)2 - г7 эт2 а

где г, - радиус внешнего экрана ЕП.

Схема измерения сигнала емкостного преобразователя в динамическом режиме представлена на рис. 4. Здесь при принудительной вибрации контролируемого объекта на электроде ЕП индуцируется напряжение, пропорциональное измеряемому потенциалу.

При модуляции рабочей емкости Ср по гармоническому закону с угловой частотой П т.е. Ся(0 = С0 +С|5шПг коэффициент преобразования емкостного преобразователя в соответствии с эквивалентной схемой рис. 4 определяется по формуле

= [с, /(С. + С. )У1 + 1/[ш„(С0+С„)]2. (15)

Рис. 4. Эквивалентная схема замещения при взаимодействии емкостного преобразователя с проводником в динамическом режиме.

Обозначив глубину модуляции рабочей емкости т = С1/С0 и учитывая, что постоянную времени входной цепи необходимо выбирать больше периода частоты модуляции, т. е. Яц(Сд + С„) > 1/П, коэффициент преобразования емкостного преобразователя можно представить в виде

*„«етС0/С„. (16)

Установлено, что при поступательных колебаниях электрода по отношению к объекту измерения коэффициент модуляции не превышает 0,35. Полученные оценки по, зволяют определить порядок паразитного изменения сигнала ЕП при вибрации проводников с поданным на них напряжением.

Полное сопротивление Ъс соединения с неустойчивой проводимостью в зоне контактирования состоит из двух составляющих - активной 11« за счет электронной проводимости, и реактивной Хс, обусловленной туннельным эффектом.

Яс и Хс зависят от особенностей неустойчивого соединения: площади контактирования; шероховатости поверхности; прижимного усилия и т.п.

Полное сопротивление переходной зоны вычисляется по формуле (19)

г. =-

(1 - и>211сСс)2 + ю2К2С2

+ .1

. етЬс (1 -со ЬсСс)-гаКсСс

(1-ю2ЬсСс)2 + со2ЯсСс

(17)

где R, L и С - сосредоточенные параметры трехэлементного двухполюсника с частотно зависимыми элементами.

Проведенный аншлиз фор^уды (17) указывает на наличие в спектре излучения 'магнитной ссЗставляющей Экстремума на частоте 10-50 мГц.

Третья глава посвящена исследованию электромагнитных процессов при стимулирующем воздействии на СПН и разработке средств электромагнитного контроля оборудования ТКС. Теоретические исследования, проведенные в главе 2, позволяют предположить, чю шумовая и информативная составляющие сигналов, создаваемых неустойчивыми соединениями, имеют разный частотный спектр. Для уточнения и дополнения информации о спектральном составе информативной и шумовой составляющих регистрируемых сигналов проводились экспериментальные исследования. Неустойчивое соединение создавалось с помощью проводника печатной платы с дефектом в виде микротрещины. Амплитуду вибрации доводили до уровня, при котором дефект начинал проявляться, как по электрической, так и по магнитной составляющим Как показали результаты исследования спектральная функция магнитной составляющей практически постоянна в широком диапазоне частот. Электрическая составляющая для ючек, расположенных по разные стороны от некачественного контакта, скачкообразно изменяется в широком диапазоне частот от 150 кГц до 10 МГц. Из полученных зависимостей следует, что электрическая составляющая в месте дефекта имеет скачок, значительно превышающий флюктуации, вызванные неоднородностью ближней зоны излучения, и по разные стороны от дефекта находится в противофазе. Магнитная составляющая имее! локальный экстремум на частоте 10...50 МГц и практически не изменяет своего спектрального состава при перемещении ЭМП вдоль проводника цепи с дефектным соединением.

В цепи с неустойчивыми соединениями за счет коммутации электрической цепи (первичного сигнала) происходит излучение электромагнитного поля, параметры которого носят стохастический характер. Излучаемое электромагнитное поле регистрируется первичным преобразователем (вторичный сигнал). Для емкостного преобразователя, вторичный сигнал будет пропорционален производной от напряжения, а элект ромаг нит-ного - производной от тока.

Проведенные эксперименты показали, что реализация ансамбля первичного сигнала представляет собой импульсную последовательность, со следующими свойствами:

• импульсы тока в цепи в подавляющем большинстве имеют одинаковую амплитуду, определяемую падением напряжения на разомкнутом соединении;

• частота повторения импульсов имеет скрытую периодичность, соответс!вующую частоте стимулирующего воздействия;

• длительность импульсов и длительность пауз подчинены одному и тому же закону распределения - логарифмически-нормальному;

• момент возникновения отдельного импульса распределен по экспоненциальному зако-

• импульсы не налагаются друг на друга, т.е. последовательность является неперекрывающейся.

Так как параметры законов распределения длительности импульсов и длительности пауз имеют один порядок, энергетический спектр первичного сшнала можно представлен выражением

ну;

2 Э' + Тш2(\-2Кевт + в2)2 т

ю

где Р,- дисперсия длительности импульса, равная дисперсии длительности пауз; Л - амплитуда импульсов, 0г - харвктерисшческая функция плотности распределения, определяема» выражением * ^ *

0Т = ]-|^хр(-(1ёГ^т)2 + т)чт (19)

{Тдт4ът Ч 2д, )

Результаты расчета энергетического спектра А(и) первичного сигнала согласно выражения (18) с учетом (19) для некачественного паяного соединения навесного элемента с проводником многослойной печатной платы достаточно хорошо совпали со спектром, полученный экспериментально для некачественного паяного соединения навесного элемента к проводнику многослойной печатной плапгы Испытания проводились на вибростенде 81-5000/4300 на частоте 100 - 300 Гц.

Наблюдается некоторое смещение экспериментальной и теоретической кривых, что, по всей вероятности, объясняется дребезгом контактирующих проводников и соог-ветс!вующим перераспределением энергии. г Для рационального выбора параметров первичных преобразователей проводились оценки погрешности измерений и разрешающей способности применительно к структурам проводников, характерных для оборудования ТКС. В частности, определено минимальное рассюяние между ЭМП и центром проводника с измеряемым током ¡¡, при котором удаленный на заданное расстояние А? параллельный проводник с током вносит погрешность измерения, не превышающую некоторого допускаемого значения 5Я:

Уо<Л1и (20)

Определено также минимальное расстояние^, необходимое для получения заданного ослабления С индукции, созданной в точке измерения удаленным на расстояние Д? параллельным проводником с током:

>'„......2 7а/2/(1 + С) . (21)

Рассмофены возможности повышения разрешающей способности ЭМП за счет магнитною и электрическою экранирования, показаны преимущества электрического экранирования перед магнитным Это связано с тем, что магнитное экранирование уменьшает и полезный сигнал па сопоставимую с ослаблением помехи величину.

Проведенный анализ показал, чю линейная разрешающая способность ЕП при малых зазорах между электродом и проводником равна радиусу электрода. Увеличение рабочей емкости и уровня полезного сигнала ЕП за счет уменьшения воздушного промежу!ка А между проводником и электродом снижает погрешность, вносимую соседними проводниками. Однако, это ведет к вофастанию погрешности из-за нестабильности воздушного зазора и разброса толщины защитных изоляционных покрытий проводников. Влияние этих неблагоприятных факторов можно уменьшить, если углубить электрод внутрь электростатического экрана на некоторое расстояние Д, а по-1ерю чувствительности компенсировать заполнением промежутка между электродом и проводником диэлектрической вставкой с проницаемостью е»1. При этом погреш-пос1Ь от влияния по1енциала соседнего проводника, определяется формулой

5 = {а«^[2гЛ/(/1г+д:2-/-2)]}/[2</тя(/-/А)] (22)

Как отмечалось выше, для обнаружения СПН необходимо одновременное измерение как магнитной, так и электрической составляющих электромагнитного поля, генерируемого неустойчивым соединением при механическом воздействии. С этой целью разрабо-1ан комбинированный преобразователь, представленный на рис. 5.

и

б)

Рис. 5. Комбинированный преобразователь (а) и его эквивалентная схема (б)

Он расположен в экранирующем замкнутом корпусе 3 с закрытым диэлектриком б отверстием в торцевой части, устанавливаемой на проводник / с измеряемыми сигналами [/ и I. Проводящий слой 2, расположенный на диэлектрике, охватывает слой из магнитного материала 5, образуя одновременно обмотку ЭМП и электрод ЕП. Емкостная связь осуществляется через диэлектрик б с проводником /. Концы проводящего слоя 2 подключены к первичной обмотке трансформатора 4, который повышает напряжение, пропорциональное измеряемому току в проводнике, и передает его в канал преобразования тока. Одновременно трансформатор разделяет каналы тока и напряжения, поскольку пропорциональный измеряемому напряжению потенциал первичной обмотки, подключенный к электроду, передается на вход высокоомного усилителя в канале напряжения и. Таким образом, на входе комбинированного преобразователя имеются одновременно два независимых сигнала, пропорциональных напряжению и току в контролируемом проводнике. Это существенно повышает информационные и диагностические возможности преобразователя, а также скорость измерений и создает дополнительные эксплуатационные преимущества, так как вместо двух независимых зондов используется один. Основные параметры комбинированного бесконтактного преобразователя, остаются практически такими же, как у однофункционапьных емкостного и электромагнитного преобразователей.

Проектирование рассмотренного преобразователя сопряжено со специфическими особенностями и трудностями, основной из которых является исключение взаимного влияния каналов тока и напряжения, имеющих общую входную цепь. На рис. 5-6 представлена эквивалентная схема входных цепей комбинированного бесконтактного преобразователя, поясняющая механизм возникновения взаимного влияния канала измерения тока (КИТ) и канала измерения напряжения (КИН). Для снижения влияния КИТ на КИН введен электростатический экран между обмотками разделительного трансформатора,

применено симметрирования его вторичной обмотки и снижено ее индуктивное сопротивление.

При огромном количестве контактов в многочисленных разъемах практически неизбежно возникает излучение электромагнитного поля при механическом воздействии на соответс!вующий объект ТКС. В связи с этим необходимо реагировать избирательно, уточняя местоположение и устраняя только дефекты соединений действительно опасные для функционирования ТКС. Достаточно очевидно, что менее качественное соединений будет давать большее число разрывов цепи при одинаковом механическом воздействии за один и тот же промежуток времени.

Для обеспечения непрерывности измерений в процессе перемещения первичных преобразователей механическое воздействие также должно быть непрерывным. В качестве таких воздействий может применяться либо вибрация, либо периодическое ударное воздействие. В качестве устройства для создания стимулирующего периодического ударного воздействия в процессе эксперимента использовалось ударно-вибрационное устройство, входящее в состав прибора ИПК-25. С его помощью объект контроля можно 'подвергать нормированному удару с частотой 1-10 Гц. Амплитуда хода ударяющей части имеет регулировку в пределах 1 - 5 мм. Эксперименты показали, что практически все типы дефектов обусловленные некачественным контактом, проявлялись в виде полного замыкания и размыкания цепи при ускорении, не превышающем 7%, значение которого зависит 01 массы элемента. График зависимости выявляемости некачественного соединения от значения ускорения для различной массы навесного элемента, представлен на рис. 6.

1М,%

При вибрации проволочные выводы разъемов и навесных элементов испытывают механические усилия, заставляющие их изгибаться в обе стороны. Фактическую амплшуду динамического смещения подобной системы, содержащей одну упругую массу, можно определить из соотношения 1де g - ускорение свободною падения; 1' -

частота вибрации; О - коэффициент передачи вибрации между элементами системы. Так как механическое воздейавие на систему вывод-отверстие, зависит от £ изменяя частоту вибрации и фиксируя параметры возникающего излучения электромагнитного поля, можно классифицировать степень дефектное!и электрических соединений.

Для количественной оценки параметров сигнала, регистрируемого первичными преобразователями, разработано устройство «Контакт-03». Блок схема устройства «Контакт-03» приведена на рис. 7. Устройство «Контакт-03» состоит из комбинированного преобразователя 1, акустического преобразователя 2, усилителя 3, АЦП 4 и микроЭВМ 4. Акустический преобразователь 2 регистрирует параметры вибрации, которые используются при обработке. В качестве информативных параметров, отражаемых на дисплее прибора может быть либо частота Гш при которой превышается установленное число импульсов с амплитудой большей заданной, либо число импульсов с амплитудой, превышающей пороговую величину при неизменной частоте вибрации. Кроме того, устройство имеет звуковую и световую сигнализацию для обнаружения и сопровождения проводника, соединенного с СПН. При смещении относительно оси сопровождаемого проводника изменяется частота звукового сигнала, а при перемещении над дефектным участком срабатывает световая сигнализация и изменяется уровень фомМкгрсйвувов<КЬитшаявЗац1МЕет следующие технические характеристики.

Число хранимых программ анализа 2

Число каналов записи данных 3

Диапазон измеряемых потенциалов, В 0,5.. .20

Диапазон измеряемых токов, мА 0,5.. .200

Линейная разрешающая способность, мм 1,0 Амплитуда импульсов тока стимулятора на нагрузке 10 Ом, мА 200

Потребляемая мощность от сети 220 В, Вт не более 100

Частотный диапазон, МГц 1.. .50

Четвертая глава посвящена анализу эффективности систем комплексного контроля качества телекоммуникационных сетей. Разрабатываемая система комплексного контроля качества функционирует в неблагоприятных условиях, она должна быть автоматизирована и соответствовать уровню современных требований. Все это связано с большими материальными затратами на их создание и эксплуатацию. Поэтому необходимо всесто-

ронне оценить эффективность вероятных путей и решений построения оптимальных структур систем комплексного кош роля ТКС с учетом как внешнего взаимодействия с объектами контроля и управления процессом контроля, так и его внутренних связей с учетом получения высокой технологичности, эффективности и надежности контроля при минимальных материальных затратах. В работе анализируются информационные потоки и режимы функционирования систем контроля качества ТКС для разных иерархических струк|ур - централизованной, распределенной и комбинированной. Количественное сравнение рассмотренных информационных структур и режимов их функционирования в системах комплексного контроля качества ТКС осуществляется с использованием методов анализа стохастических процессов, протекающих в замкнутом контуре «объект контроля (ОК) - средства контроля качества (СК) - информационно-управляющая система (ИУС)». В качестве критерия эффективности процесса контроля и управления целесообразно использовать критерий приведенных затрат. На основе этого критерия выбраны контролируемые параметры в соответствии с требованиями ГОСТов, обоснован выбор алыернативных вариантов структуры и режимов функционирования средств комплексною го неразрушающего контроля ТКС Для анализа взаимодействия ОК со средствами контроля и управления (СКУ) используется математический аппарат теории случайных процессов. Качество взаимодействия можно оценить, задав функции потерь информации в ОК при его различных состояниях 0,(0 и определив плотность вероятности времени его пребывания в них через математическое ожидание

1де Р, - вероятность событий после 1-го взаимодействия ОК с СК определяется как Р, = Х\Р,к, для к = \,1Я, £ # /, N - количество объектов контроля.

Р.сли являются линейными функциями, то задача сводится к отысканию первых моментов времени пребывания ОК в различных состояниях. В данной главе приведен метод оценки эффективности указанного взаимодействия и оптимизации процесса контроля с учетом стоимостных, временных и метрологических характеристик и параметров надежности системы: «ОК-СК».

Проведенная сравнительная оценка эффективности функционирования средств контроля качества ТКС в составе централизованной и распределенной структуры комплексной системы в широком диапазоне производительности контроля позволила определить оптимальный вариант построения данного вида систем с учетом минимизации затрат на т их создание и эксплуатационных расходов при обслуживании.

00

(23)

J

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выбраны математические модели, наиболее адекватно описывающие электромагнитные процессы в системах структур проводников, характерных для телекоммуникационных сетей.

2. Получены оценки погрешности и разрешающей способности первичных электромагнитных и емкостных преобразователей для выявления и оценки качества соединений пониженной надежности.

3. Определены электромагнитные и статистические параметры сигналов, генерируемых неустойчивыми соединениями в электронных блоках телекоммуникационных сетей.

4. Разработаны способы электромагнитной диагностики, позволяющие выявить соединения пониженной надежности в оборудовании телекоммуникационных сетей и дать оценку их качества.

5. Разработана конструкция комбинированных преобразователей, обеспечивающих одновременное измерение электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, генерируемого неустойчивым соединением.

6. Разработано устройство «Контакт-03» для электромагнитной диагностики оборудования телекоммуникационных сетей.

7. Предложен математический аппарат и методика оценки эффективности взаимодействия средств контроля с объектом контроля и выбора оптимального варианта построения комплексной системы неразрушающего контроля качества ТКС с учетом минимизации затрат на создание этих систем и эксплуатационных расходов при их обслуживании.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Замалдинов Р М Пути совершенствования технических средств диагностики электронных блоков и линий свя 1и //М1жнародной Академн 1нформатизацп.Науковий журнал №1, 2003 Лу1анськ Луганское отд. МАИ 2003 с 25 - 29.

2 Замалдинов Р.М Расчет зависимости выходного сигнала индуктивного первичного преобразователя, размещенного над плоским проводником с током, при изменении расстояния между ними по гармоническому закону//М1жнародной Академи Гнформати-зацп Науковий журнал №1, 2003.Луганськ. Луганское отд. МАИ 2003 с 30 -37

3 Замалдинов Р.М Оценка эффективности альтернативных структур устройства контроля качества// Научные труды V Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ». Дополнения.- М.-2002 с.121 - 127 .

4 Замалдинов P.M., Оценка представительности показателей эффективности взаимодействия средств контроля с объектом контроля// Научные труды V Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ». Дополнения.- М-2002 с.114- 121.

5 Замалдинов P.M., Колинчено В.М., Клюев З.В. Системный подход к проектированию электромагнитных средств неразрушающего контроля// Научные труды V Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ». Дополнения,- М.-2003 с.84 - 88.

6 Замалдинов Р.М Автоматизация экспериментальных исследований и разработки электромагнитных средств контроля с применением компьютерной системы «КОМВИС -ТС». Москва,- МГАПИ - 2000.-12 с

7. Замалдинов Р М. Выбор математических моделей для исследования взаимодействия электромагнитного преобразователя с системой проводников с током// Научные труды VI Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ».-Ч.2.-М.-2003 с.25-28.

8. Замалдинов Р.М Исследование погрешности измерений электрического потенциала над проводником при неразрушающем контроле качества соединений в телекоммуникационных системах// Научные труды VI Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и нрава». Кн «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ».-ч.2,- М.-2003 с.29-32.

9. Замалдинов P.M. Принципы построения комбинированных преобразователей для неразрушающего контроля качества соединений в телекоммуникационных системах связи// Научные труды VI Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ» -ч 2.-М.-2003 с.33-36.

10 Замалдинов Р М. Определение эффективности взаимодействия специального средства контроля с объектом Научные труды V Международной научной - практической ко-енференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» Кн «Информатика» М. 2002г. с.32 - 35.

11 Замалдинов P.M. Эффективность взаимодействия комплексной системы контроля с объектом Научны труды V Международной научной - практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Кн. «Информатика» М. 2002г с. 35 - 40.

Подписано в печать 18 03 2004г Формат60х84 1/16 Отпечатано на ричографе Бумага офсетная

__Усл.печ. л 1,0 тираж 100экз Заказ 46_____

Отпечатано в УЦ ЗАО МНПО «Спектр» Н9048 Москва, ул Усачева 35, стр I

. А f

РНБ Русский фонд

2006-4 1292

* с

Í

ч 4

X

О 5 АС "