Методы и средства бесконтактных электромагнитных измерений и диагностирования

• Автор: Яковлев, Николай Иванович
• Шифр специальности: 05.11.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 62 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, Б.Фелч, Р.Хант и другие.
В то же время очевидно, что научно-технический прогресс и необходимость 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-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 измерения 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 неразрушающем 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.

го электромагнитного преобразователя с объектом измерения и последующую гальваническую развязку каналов тока и напряжения.
4. Предложены и теоретически обоснованы новые методы компенсации методических погрешностей бесконтактных измерений:
- метод компенсации влияния изменения расстояния между контролируемым объектом и первичным преобразователем, основанный на введении дополнительного, удаленного на фиксированное расстояние преобразователя и электронного устройства преобразования и обработки сигналов преобразователей по предложенному алгоритму.
- метод компенсации влияния тока соседних проводников, основанный на проведекии дополнительных измерений в точках с фиксированными координатами и последующего вычисления результата измерения по предложенному алгоритму.
На основе проведенных исследований предложена структура автоматизированной диагностической системы с программно-управляемым сканирующим зондом и автоматической коррекцией погрешностей координатной привязки.
5. На основе совокупности многоточечных измерений составляющих вектора индукции и координат точек измерения с последующим пересчетом по полученным данным значений индукции на другие области пространства обоснован и реализован метод косвенных измерений параметров электромагнитного поля в областях пространства, недоступных для прямых инструментальных измерений.
6. Разработаны новые методы и предложены структурные схемы построения цифровых магнитометров повышенной точности и быстродействия с применением время-импульсных видов модуляции и автокомпенсационных схем измерения. Разработана методика синтеза параметров автокомпенсационной измерительной схемы с ферромодуляционным параметрическим преобразователем по заданной точности и быстродействию и предложен новый способ обеспечения устойчивости при сильных скачкообразных входных воздействиях, превышающих амплитуду поля возбуждения ферромодуляционкого преобразователя.
7. Предложены новые методы и структурные схемы повышения чувствительности и точности тонкопленочных магниторезистивных электромагнитных преобразователей и измерения магнитных параметров тонкопленочных элементов:
- конструктивно-технологический метод рациональной взаимно-угловой ориентации оси легкого намагничивания магниторезистивного элемента, вектора измеряемого магнитного поля и направления линии тока в элементе;
- структурный метод широтно-импульсной модуляции на основе перемагничивания до насыщения тонкопленочного элемента импульсами с линейно нарастающими фронтами;
- высокочувствительный метод измерения магнитных характеристик тонкопленочных элементов и реализующая его компьютерная автоматизированная система, обеспечивающая программно-управляемое колебательное движение образца