Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 7, № 3 (2016)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2016-7-3

Средства измерений

235-246 625
Аннотация

На основании анализа открытых литературных источников рассматриваются основные этапы создания гравитационных градиентометров для измерений неоднородности гравитационных полей с различных подвижных носителей, в том числе в условиях невесомости. Анализируется роль этих приборов в современной науке и технике. Описываются основные физические принципы, позволившие создать приборы, которые реально используются в настоящее время. Также описываются основные параметры этих приборов, характеризующие их качество. Цель данного исследования состояла в том, чтобы установить основные проблемы, которые приходиться решать при создании этих приборов и которые препятствуют их широкому внедрению в различные области науки и техники, сформулировать основные тенденции и состояние их разработки в настоящее время. Показывается, что существующие приборы являются слишком дорогими, тяжелыми и массивными, чтобы иметь возможность их широко применять как в условиях действия силы тяжести, так и в условиях невесомости. Описывается стремление разработчиков создавать более простые, надежные и малобюджетные приборы, в первую очередь предназначенные для использования на микроспутниках, созданию которых уделяется все большее внимание. Делается вывод, что разработки гравитационных градиентометров на основе технологий микромеханических электронных систем в настоящее время не могут преодолеть проблемы, связанные с уровнем шума, свойственные подобным приборам. Данное исследование в некоторой степени является обоснованием для следующей работы авторов, в которой будут изложены новые принципы построения гравитационных градиентометров, которые, возможно, позволят решить некоторые из проблем, описанных ниже. 

247-255 487
Аннотация
Процессы смешения потоков с различной температурой и концентрацией растворенной примеси весьма распространены в оборудовании ядерных энергетических установок. В ряде случаев такие процессы значительно влияют на ресурс реакторной установки и ее поведение в переходных и аварийных режимах работы. Целью работы было создание измерительной системы и тестового экспериментального стенда, проведение первичных исследований, внедрение метода пространственной кондуктометрии в практику исследования турбулентных потоков теплоносителя. В ходе работы создан измерительный комплекс, включая сами пространственные датчики, и экспериментальный стенд для проведения исследований; выполнены первичные тесты. Особое внимание уделено процедурам калибровки и методической отработке применения кондуктометрических датчиков при измерении характеристик турбулентных потоков теплоносителя. Исследования проводили методом электрически контрастного трассера при спутно-струйном течении в закрытом канале круглого поперечного сечения. В ходе измерений получали как осредненные, так и нестационарные реализации измерительного сигнала. Выполненная обработка данных эксперимента показывает хорошее их согласование с данными, полученными при помощи измерительных систем, основанных на других физических принципах действия. Получены калибровочные зависимости, создана методическая база настройки и применения измерительных систем с пространственными кондуктометрическими датчиками. Приобретенный опыт работы с пространственными кондуктометрами позволил сформулировать принципы проведения исследований на крупномасштабных моделях основного оборудования ядерных энергетических установок. Пространственные датчики сетчатой конструкции зарекомендовали себя как перспективный тип вихреразрешающих измерительных устройств.
256-261 684
Аннотация

Задачи постоянного или периодического мониторинга водоемов, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате штатных выбросов АЭС или в результате возникновения нештатных ситуаций на предприятиях топливного ядерного цикла, приводят к необходимости разработки соответствующих средств измерений с современным математическим и программным обеспечением, позволяющих оценить уровень радиоактивных загрязнений с заданной точностью. Цель теоретических исследований заключалась в оптимизации конструктива устройства детектирования, определении метрологических параметров спектрометра в заданных геометриях измерения, определении эффективного положения устройства детектирования спектрометра в процессе in situ измерений удельной активности радионуклидов 134Cs и 137Cs в донных отложениях с использованием разработанных Монте-Карло моделей: устройства детектирования, воды и донных отложений. Спектрометр представляет собой многофункциональный прибор, состоящий из размещаемого в герметичном контейнере спектрометрического сцинтилляционного блока детектирования с кристаллом NaI(T1) размерами Ø 63 × 63 мм или Ø 63 × 160 мм, вьюшки с глубоководным кабелем и планшетного компьютера для обработки и отображения информации. Контейнер устойчив к статическому гидравлическому давлению до 5 МПа, что позволяет проводить измерения на глубинах до 500 м. Устройство детектирования позволяет измерять энергетическое распределение импульсов гамма-излучения с энергией от 70 до 3000 кэВ. Реализованная система определения положения устройства детектирования в пространстве позволяет использовать спектрометр в автоматическом режиме (без участия оператора) для сканирования водной акватории и донных отложений. Результаты измерения заданной величины с трехмерными географическими координатами могут быть оперативно представлены в виде карт-схем распределения с необходимой дискретностью и точностью. Для определения функций отклика детектора к заданным радионуклидам в требуемых геометриях измерения без использования физических дорогостоящих стандартных мер активности разработаны Монте-Карло модели спектрометра и объектов контроля. Для радиационного контроля водной среды и донных отложений методом in situ разработан и изготовлен многофункциональный портативный гамма-спектрометр. В результате теоретических исследований были рассчитаны функции отклика спектрометра к контролируемым радионуклидам в заданных геометриях измерения. Результаты математического моделирования процесса переноса гамма-излучения позволили определить эффективную позицию устройства детектирования в процессе in situ измерений активности радионуклидов 134Cs и 137Cs в донных отложениях. 

262-270 419
Аннотация

Приборы для спектральной фильтрации изображений являются важным элементом систем дистанционного зондирования, медицинской диагностики и технологического контроля. Цель работы – анализ функциональных особенностей и характеристик двух предлагаемых вариантов монохроматоров изображения, основанных на дисперсионной спектральной фильтрации. Первый вариант основан на использовании дисперсионного монохроматора, в котором коллиматорный и камерный объективы формируют телескопическую систему, в плоскости промежуточного изображения которой размещается дисперсионный элемент. Второй вариант основан на использовании двойного монохроматора с вычитанием дисперсии при обратном прохождении. Для варианта с телескопической системой выполнены оценки спектрального разрешения и пространственного разрешения, определяемого аберрациями и дифракцией на входной щели. Проведено численное моделирование и макетирование прибора. Показано, что при ширине выделяемого спектрального интервала 10 нм в видимой области размеры аберрационно-лимитируемого кружка рассеяния варьируются от 10–20 мкм в центре до 30 мкм на краях изображения с размерами 23–27 мм. Монохроматор с вычитанием дисперсии позволяет варьировать достигаемое в отдельной точке изображения спектральное разрешение (до 1 нм и выше) изменением ширины промежуточной щели, однако особенностью является изменение в значительных пределах выделяемой центральной длины волны по полю изображения. Рассмотренные схемные решения дисперсионных монохроматоров изображения представляются перспективными и обладают преимуществами в сравнении с системами на основе перестраиваемых фильтров по достижимому спектральному разрешению и возможности его оперативного варьирования, спектральному контрасту. Монохроматор на основе телескопической системы характеризуется простотой устройства и достаточно большим полем изображения, однако имеет ограниченное светопропускание из-за малого размера входной апертуры. Монохроматор с вычитанием дисперсии имеет большее светопропускание, позволяет обеспечить высокое спектральное разрешение при условии регистрации полного куба данных в серии установок дисперсионного элемента. 

271-278 481
Аннотация

Изготовление модуля химических сенсоров на одном кристалле является одним из перспективных направлений в развитии газовой сенсорики. Целью данной работы являлась разработка мультисенсорной микросистемы для уменьшения времени измерения концентрации газов CO, H2 , C3H8 , CO2, а также снижение потребляемой мощности микросистемы в целом. Мультисенсорная микросистема включает четыре одиночных сенсора, размещенных на одной подложке из наноструктурированного оксида алюминия. Использование в топологии микросистемы сквозных отверстий и диэлектрической подложки снизило потребляемую мощность газовой микросистемы. Нами предложен способ измерения чувствительности четырехсенсорной микросистемы к концентрации газов CO, H2 , C3H8 , CO2 . Полный цикл измерения концентрации газов состоял из времени предварительного прогрева всех сенсоров микросистемы (5 с), времени разогрева каждого из сенсоров последовательно (5 с) и времени измерения сопротивления каждого сенсора (80 с). Результаты измерений показали, что время реакции мультисенсорной микросистемы при воздействии газов: H2 с концентрацией 0,001 %, CO2 – 1 %, СО – 0,02 %, С3H8 – 0,01 % не превышает установленного для полного цикла измерения 90 c. Значение чувствительности при потребляемой мощности < 150 мВт составило для H2 – 48–64 %, для CO2 – 32–36 %, для СО – 20–29 %, для С3H8 – 68–78 %. Предложен способ контроля чувствительности мультисенсорной микросистемы к концентрации газов CO, H2 , CO2 , C3H8 , который позволяет проводить измерения за 90 с. В то время как цикл измерения одиночным сенсором в среднем составляет, в режиме импульсного нагрева – 2 мин, в режиме постоянного нагрева – 5 мин. Максимальное значение потребляемой мощности микросистемы составило не более 150 мВт. C помощью микросистем можно проводить измерения более низких концентраций детектируемых газов.

279-285 439
Аннотация

Переход точного машиностроения и приборостроения к широкому использованию наноразмерных структур и тонких слоев требует повышения локальности методов измерения по глубине материала. Унифицированные и общепризнанные стандарты методов измерения износостойкости и коэффициента трения слоистых структур и поверхностно-упрочненных материалов в настоящее время отсутствуют. Целью работы являлось создание универсальной машины трения, отличающейся максимально упрощенными требованиями к подготовке и геометрической форме образцов. Важным требованием, предъявляемым к установке и методу измерения, является возможность измерения коэффициента трения и определения стойкости к износу покрытий и упрочненных слоев микронной и субмикронной толщины. Вторым важным требованием является воспроизведение в эксперименте ацикличного процесса трения, максимально приближенного к реальным условиям эксплуатации узлов и деталей. Оба эти условия успешно реализуются при использовании метода «диск на плоскости». Использование метода «диск на плоскости» ведет к упрощению и повышению экспрессности измерений, минимизации используемых нагрузок на узел трения, снижению температуры трибопары, увеличению чувствительности и улучшению термостабилизации тензомоста. Разработана, изготовлена и апробирована установка для исследования процессов трения и износа различных пар материалов в условиях, близких к эксплуатационным. Апробирована конструкция измерительной консоли с низкой величиной паразитных нагрузок на тензодатчики. Создан компьютеризированный программно-аппаратный комплекс для регистрации параметров процесса трения. Разработано программное обеспечение для обработки и хранения результатов эксперимента. Программное обеспечение совместимо с современными операционными системами Windows. Формат файлов для хранения результатов измерения коэффициента трения совместим с основными графическими редакторами и допускает математическую обработку средствами Exсel. Последовательно изложены основные принципы анализа и обработки результатов. Приведены типичные результаты использования разработанной машины трения для измерения коэффициента трения и определения стойкости к износу массивных, однородных и поверхностно упрочненных материалов и сплавов с покрытиями. Показана высокая эффективность созданного комплекса оборудования при исследовании и оптимизации процессов нанесения покрытий и модификации поверхностных слоев. Работоспособность комплекса подтверждена при исследовании модифицированных слоев и покрытий микронной толщины. Установлено, что коэффициент трения и износостойкость конструкционных материалов, тонких микрокристаллических упрочняющих покрытий и наноструктурированных слоев эффективно контролируется c помощью созданного комплекса. 

Методы измерений, контроля, диагностики

286-295 468
Аннотация

Использование импульсно-лазерного возбуждения поверхностных волн и приема их пьезоэлектрическими контактными преобразователями перспективно для обнаружения поверхностных дефектов. Цель данной работы состояла в выявлении оптимальных условий обнаружения реальных усталостных трещин микронных размеров и поверхностных пор при пересечении движущимся пятном лазерного луча дефектной области. Объектом исследований служили металлические образцы с шириной раскрытия устья усталостных трещин от 8 до 0,5 мкм и глубиной от 400–500 мкм до приблизительно 200 мкм. Цилиндрическое отверстии диаметром 1 мм использовалось в качестве модели поры. Экспериментальная установка для исследований содержит источник импульсно-лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм и длительностью приблизительно 20 нс. На выходе лазера установлено устройство регулирования размеров пятна лазерного луча в виде длинной полосы и круга. Акустические сигналы, возбуждаемые в результате термического нагрева поверхности образца лазерным импульсом, принимались наклонным преобразователем с рабочей частотой 2,7 МГц. Далее сигнал для обработки поступал на осциллоскоп «Spectronic» TDS 3052В. Изучены закономерности изменения амплитуды и формы импульсов акустических волн в зависимости от координаты положения и геометрии пятна лазерного луча. Установлено, что оптимальные условия выявления дефектов по амплитудному признаку имеют место при пересечении пятном лазерного луча как трещины, так и поры. В первом случае рост амплитуды сигнала составил 7–8 раз, что характерно для резонансного режима возбуждения волн. При этом отношение ширины пятна луча в виде длинной полосы к длине волны составило приблизительно 1,8–2,2 раза. Если же трещина имеет малое раскрытие (приблизительно 0,5 мкм), то наиболее информативным параметром является спектр акустического импульса или его форма – вступительная часть импульса. Таким образом, результаты исследований позволяют предложить новые возможности повышения надежности и чувствительности выявления поверхностных дефектов путем оптимизации геометрических параметров движущегося лазерного луча. 

296-304 1800
Аннотация

Развитие и распространение техногенных источников высокоэнергетического вторичного гаммаизлучения приводит к ряду прикладных задач радиационной защиты, в которых спектрометрические и дозиметрические измерительные приборы используются в фотонных полях в диапазоне энергий от 4 до 10 МэВ. Целью данной работы являлась проверка возможности формирования эталонных полей захватного гамма-излучения при помощи источника быстрых нейтронов и мишеней из титана и никеля с энергиями до 10 МэВ. Корректная калибровка предполагает наличие в эталонном спектре излучения одиночных линий с известной энергией. До 3 МэВ задача решается при помощи набора радионуклидных источников ОСГИ. Для формирования эталонного фотонного поля с энергиями до 10 МэВ можно использовать захватное гамма-излучение от мишеней из титана и никеля, находящихся в поле тепловых нейтронов. Поток нейтронов с тепловыми энергиями может быть получен замедлением быстрых нейтронов от радионуклидных источников 238Pu-Be, 252Cf, 241Am-Be. В качестве замедлителя нейтронов обычно используются водородосодержащие материалы (полиэтилен и парафин). Коллиматор тепловых нейтронов установки поверочной нейтронного излучения (УПН-АТ140, УП «АТОМТЕХ») формирует пучок от радионуклидного источника со значительной составляющей нейтронов тепловых энергий. Размещение мишеней в канале коллиматора позволило получить поле гамма-излучения с характерными для материала мишени энергиями. Экспериментальные спектры получены на спектрометрическом блоке детектирования БДКГ-19М NaI(Tl) 63 × 160 мм с нелинейной характеристикой преобразования канал-энергия в диапазоне до 10 МэВ. На спектрах хорошо различимы основные линии захватного излучения от водорода, титана и никеля. В качестве дополнительной фильтрации предложено использовать отражатель нейтронов из полиэтилена и свинцовые диски. Показано, что размещение дисков из свинца в коллиматоре перед мишенью позволяет фильтровать весь спектр, при этом незначительно ослабляя излучение именно от мишени. На основании теоретических и экспериментальных данных подтверждена возможность калибровки спектрометров гамма-излучения в диапазоне до 10 МэВ в поле мгновенного захватного гамма-излучения. 

305-311 492
Аннотация

Целью данной работы являлась оценка ограничений, связанных с фактическим разрешением изображений, выполненных в процессе реконструкции объекта с использованием технологии визуализации движения в измерение антропометрических параметров. Это необходимо в целях определения параметров аппаратуры, служащей для того же применения. Посредством цифровой камеры профессионального класса с высоким разрешением была выполнена серия из 42 изображений образца статического объекта. Объект находился в одной и той же точке пространства в устойчивом положении и освещался рассеянным излучением, создаваемым стандартными источниками света со стабильными характеристиками. С использованием программного обеспечения VisualSFM была получена совокупность геометрических отсчетов – «виртуальное облако точек», представляющих собой точки, воспроизводимые на исследуемом объекте. В процессе исследований разрешение изображений изменялось, что позволило выявить отклонения выбранных антропометрических параметров и выполнить их анализ. В условиях проведенного эксперимента уменьшение разрешения входных изображений до уровня 80 % (или больше) от первоначального значения оказывает существенное влияние на результаты измерений выбранных антропометрических параметров. Технология визуализации движения (SfM) может быть использована для антропометрических измерительных систем, когда входные изображения выполняются с высоким разрешением (более десятка миллионов пикселей). Представленный метод измерения для антропометрии характеризуется простотой использования, не требуется какой-либо калибровки перед измерениями или специализированной аппаратуры. Благодаря этому, может быть принят на практике в любых условиях и управляется неквалифицированным оператором. 

312-321 550
Аннотация

Целью работы являлось применение метода импедансной спектроскопии для анализа влияния отжига в инертной среде на электрофизические свойства и структуру нестехиометрических пленок диоксида олова. Пленки SnO2 варьируемого стехиометрического состава получали двухступенчатым окислением металлического олова, нанесенного на подложки поликристаллического Al2O3 методом магнетронного напыления на постоянном токе. Для модификации структуры и стехиометрического состава исходных покрытий проводился отжиг в инертной среде в интервале температур 300–800 °С. Измерения импеданса полученных пленок SnO2 проводились в диапазоне частот 20 Гц – 2 МГц при комнатной температуре на воздухе. Исследование электропроводности пленок диоксида олова на переменном токе позволило установить, что в результате высокотемпературного отжига происходит изменение частотных зависимостей действительной и мнимой частей импеданса пленок. Предложены эквивалентные схемы замещения, описывающие частотные зависимости импеданса пленок различного структурного и стехиометрического состава. Использование метода импедансной спектроскопии позволило установить, что в процессе окислительного отжига формируется поликристаллическая пленка диоксида олова, электропроводность которой можно варьировать отжигом в инертной среде, в результате которого происходит перекристаллизация пленок и изменение ее стехиометрического состава, а также увеличение размеров кристаллитов SnO2 . Изменения структуры и фазового состава пленок диоксида олова при проведении высокотемпературного отжига в инертной среде подтверждаются результатами проведенного рентгеноструктурного анализа. Установлено, что анализ годографов импеданса является информативным способом для исследования электрофизических свойств и структуры поликристаллических пленок диоксида олова.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-9506 (Print)
ISSN 2414-0473 (Online)