Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 8, № 3 (2017)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2017-8-3

Средства измерений

203-213 465
Аннотация

Последние десятилетия развитие методов прикладных расчетов теплогидравлических процессов, происходящих в ядерном реакторе, ознаменовано бурным ростом вычислительных мощностей суперкомпьютеров (High Performance Computing, HPC), способствующих активному внедрению методов вычислительной гидродинамики (английская аббревиатура CFD). Использование таких программ для обоснования технико-экономических показателей, в особенности безопасности ядерных реакторов, требует проведения всесторонней верификации математических моделей и самих CFD-программ. Целью работы являлась разработка и адаптация измерительной системы, обладающей характеристиками, необходимыми для ее применения в составе верификационного экспериментального стенда. Стенд предназначен для исследования процессов смешения потоков теплоносителя с различными физическими свойствами (например, концентрацией растворенных примесей) внутри крупномасштабной модели реактора. Основной метод, применяемый для регистрации пространственного поля концентрации в области смешения, – метод пространственной кондуктометрии.

В ходе работы создан измерительный комплекс, включающий пространственные кондуктометрические датчики, систему вторичных преобразователей и программное обеспечение. Разработаны методики калибровки и нормировки результатов измерений. В ходе первой серии экспериментов получены осредненные поля концентрации примеси в потоке теплоносителя, нестационарные реализации измеряемой локальной проводимости, проводился их спектральный и статистический анализ.

Проведено сравнение полученных данных с претестовыми CFD-расчетами, выполненными в программе ANSYS CFX. Совместный анализ полученных результатов позволил выявить основные закономерности исследуемого процесса, продемонстрировать возможности созданной измерительной системы в части получения экспериментальных данных требуемого для верификации «CFD-качества».

Проведенная адаптация пространственных датчиков позволяет провести более обширную программу экспериментальных исследований, на основе которой будет создан банк данных и необходимых обобщений. Полученная информация дает возможность ответить на ряд вопросов, связанных с масштабированием результатов CFD-расчетов на натурные параметры работы водо-водяных ядерных реакторов. 

214-221 329
Аннотация

В работе рассмотрены особенности шаблонного синтеза нанотрубок из ферромагнитных металлов (Fe, Co, Ni) в порах трековых мембран. Целью работы являлось изучение их основных структурных и магнитных параметров и демонстрация потенциала применения в элементах гибкой электроники.

При помощи электрохимического осаждения в порах полиэтилентерефталатовых трековых мембран сформированы ферромагнитные нанотрубки с диаметром 110 нм и аспектным соотношением 100. Методом сканирующей электронной микроскопии изучены морфологические особенности полученных наноструктур, методом энергодисперсионного анализа изучен элементный состав. С использованием рентгеноструктурного анализа установлены основные параметры кристаллической структуры: тип кристаллической решетки, параметр элементарной ячейки и средний размер кристаллитов. Методом вибрационной магнитометрии изучены магнитные свойства.

Показано, что вне зависимости от типа ферромагнитного металла при выбранных условиях синтеза нанотрубки имеют одинаковые характеристические размеры – длину, диаметр и толщину стенки. Полученные нанотрубки состоят соответственно из железа, из кобальта и из никеля и не содержат оксидных примесей. Нанотрубки имеют поликристаллическую структуру стенок с объемно-центрированной кубической (железные), гране-центрированной кубической (кобальтовые и никелевые) кристаллической решеткой. По основным магнитным параметрам нанотрубки соответствуют группе магнитомягких материалов. Также установлено наличие магнитной анизотропии, которая обусловлена особенностями кристаллической структуры и формой наноструктур.

На основании анализа особенностей структурных и магнитных характеристик ферромагнитных нанотрубок, синтезированных в порах трековых мембран, предложены базовые принципы их использования при конструировании элементов гибкой электроники: наноконденсаторов, датчиков направления магнитного поля и магнитных элементов памяти. 

222-227 337
Аннотация

Усовершенствованию характеристик лазеров для использования в измерительных приборах уделяется большое внимание. Одним из перспективных направлений по уменьшению массогабаритных характеристик и энергопотребления для твердотельных лазеров является использование диодной накачки и микрочипконфигурации резонатора. Увеличение выходной мощности при сохранении качества лазерного пучка для данного класса излучателей затруднительно из-за тепловых эффектов, возникающих в активной среде при увеличении мощности накачки. Целью данной работы было исследование возможности увеличения выходной мощности микрочип-лазера, построенного по принципу мультипликации прокачиваемых зон, при сохранении качества генерируемого лазерного пучка, близкого к дифракционному.

Проведено исследование непрерывного микрочип-лазера с продольной диодной накачкой на основе кристалла Yb:YAG. В представленном лазере излучение от нескольких лазерных диодов фокусируется в отдельные области активного элемента (мультипликация прокачиваемых зон), что позволяет реализовать одновременную генерацию нескольких лазерных пучков. Предметом исследования были энергетические и пространственные характеристики генерируемых лазерных пучков.

Обнаружен эффект взаимного влияния прокачиваемых зон на энергетические и пространственные характеристики отдельного лазерного пучка и, как следствие, на характеристики суммированного излучения. Определены зависимости изменения выходной мощности лазера от расстояния между соседними прокачиваемыми областями и их количеством. При одинаковой мощности накачки мощность отдельного лазерного пучка уменьшается с уменьшением расстояния между прокачиваемыми зонами и при увеличении их количества c одновременным улучшением качества генерируемого лазерного пучка.

Эффект взаимного влияния прокачиваемых зон Yb:YAG микрочип-лазера позволил получить Гауссов профиль интенсивности отдельного лазерного пучка при мощности генерируемого излучения 2 Вт при прокачке четырех зон, что на 30 % больше, чем для случая отсутствия прокачки соседних областей. 

Методы измерений, контроля, диагностики

228-235 332
Аннотация

Гигантское комбинационное рассеяние, усиленное поверхностью, является мощным методом, применяемым в хемо- и биосенсорике. Целью данной работы являлось определение взаимосвязи сигнала гигантского комбинационного рассеяния света с формой серебряных наноструктур при воздействии лазерного излучения с различной мощностью.

Плазмонные наноструктуры синтезировались в порах диоксида кремния на подложке монокристаллического кремния n-типа, в котором поры формировались с использованием ионно-трековой технологии и селективного химического травления. Синтез серебра проводился методом безэлектродного осаждения. В качестве параметра, позволяющего управлять формой серебряного осадка в порах диоксида кремния на поверхности монокристаллического n-кремния при безэлектродном осаждении, выбрано время синтеза, которое непосредственно влияет на степень разрастания металлических наноструктур.

 Анализ динамики изменения морфологии металлического осадка показал, что при увеличении времени осаждения металл эволюционирует от отдельных металлических кристаллитов внутри пор при малых временах осаждения до дендритоподобных наноструктур при больших временах. Изучена зависимость интенсивности спектров гигантского комбинационного рассеяния света от формы серебряного осадка при мощностях зеленого лазера (λ = 532 нм) от 2,5 до 150 мкВт на модельном аналите Родамин 6Ж. Проведен анализ оптимальной формы серебряного осадка и мощности лазера с точки зрения последующего конструирования активных поверхностей для гигантского комбинационного рассеяния света при неразрушающем контроле малых концентраций веществ.

Полученные серебряные наноструктуры в порах шаблона SiO2 на кремниевой подложке n-типа могут использоваться в качестве плазмонно-активных поверхностей при неразрушающем исследовании низких концентраций веществ на малых мощностях лазера. 

236-245 416
Аннотация

Недостатком электромагнитно-акустического (ЭМА) метода приема ультразвуковых колебаний является его низкая эффективность. Традиционные способы ее повышения – увеличение подмагничивающего поля. Целью данной работы являлось исследование способа повышения эффективности ЭМА преобразования с использованием изменяющегося во времени поля подмагничивания.

 Исследования проводились с помощью специально разработанной установки, позволяющей осуществлять подмагничивание постоянным и переменным магнитным полем (динамическое подмагничивание) синхронно с прохождением принятого импульса. Объектом исследования являлись прутки из различных марок стали диаметром 4–6 мм, в которых ЭМА методом возбуждалась симметричная нулевая мода S0 стержневой волны (в частотном диапазоне около 40 кГц). Проведен сравнительный анализ амплитуд и форм серии импульсов многократных отражений при статическом и динамическом перемагничивании и с полным циклом перемагничивания.

В результате проведенных измерений эффективности ЭМА приема при статическом и динамическом подмагничивании установлено существенное (до 5 раз) увеличение амплитуды сигнала на приемном преобразователе. В связи с тем, что на низких частотах основной вклад в механизм как возбуждения, так и приема вносит магнитострикционный эффект, можно предполагать, что использование динамического поля подмагничивания существенным образом влияет на эффективную подвижность магнитных доменов (т.е. изменяет динамическую магнитную восприимчивость материала). Установлена возможность проводить контроль при меньших значениях подмагничивающего поля, а следовательно, снизить массогабаритные размеры магнитной системы.

Таким образом, в ходе проведенных исследований установлено наличие и произведена оценка величины эффекта динамического подмагничивания (увеличение амплитуды сигнала принятого ЭМА методом акустического импульса). Использование данного метода позволит повысить качество ЭМА контроля за счет создания более эффективных ЭМА преобразователей. Поскольку величина обнаруженного эффекта существенно зависит от марки стали, можно предположить его возможное применение в методах экспресс-анализа, оценки структурного и напряженного состояний.

246-253 709
Аннотация

В данной работе рассматривается спектрометрический метод дозиметрии гаммаизлучения на основе преобразования измеренного аппаратурного спектра. С использованием заранее рассчитанных или измеренных функций отклика детектора на воздействие гамма-излучения заданной энергий и плотности потока определяется некоторая функция от энергии G(E). Используя эту функцию в качестве ядра интегрального преобразования от характеристики поля к дозе, можно получить величину дозы непосредственно из текущего аппаратурного спектра. Применяя функцию G(E) к энергетическому распределению флюенса фотонного излучения в окружающей среде, общая мощность дозы может быть определена без информации о распределении радиоизотопов в окружающей среде.

Для определения G(E) методом Монте-Карло рассчитываются аппаратурные функции отклика сцинтилляционного детектора на излучение моноэнергетических фотонных источников, а также другие характеристики. Далее весь энергетический диапазон регистрации разбивается на энергетические интервалы, для которых вычисляется функция G(E) с применением линейной интерполяции.

Рассматриваемый спектрометрический метод расчета дозы с применением функции G(E) позволяет использовать сцинтилляционные блоки детектирования для решения широкого круга дозиметрических задач. В статье приведен способ вычисления данной функции с помощью методов Монте-Карло и описываются особенности ее применения. Представлены результаты расчета функции G(E) для блока детектирования с NaI(Tl) детектором (Ø40 мм, h = 40 мм) и результаты его использования в качестве блока-компаратора для аттестации низкоинтенсивных полей фотонного излучения по мощности кермы в воздухе. 

254-262 372
Аннотация

Широкое использование цифровой фотосъемки обусловило значительный прогресс в развитии теории и методов восстановления трехмерной картины пространства по двумерным цифровым изображениям. Для решения задачи повышения точности измерений таких систем необходимо учитывать влияние ряда дестабилизирующих факторов. Целью данной работы являлась разработка методики учета и компенсации влияния дестабилизирующих факторов, таких как отклонение от горизонтальной линии положения камер стереопары, непараллельность оптических осей объективов, взаимный наклон фотоприемных матриц и искажения оптической системы стереокамеры для повышения точности измерений дальномера на основе корреляционного анализа стереоизображения.

Разработано программное приложение для анализа оптических искажений серийно выпускаемых объективов, позволяющее наглядно показать характер искажений и определить коэффициенты полинома, компенсирующего оптические искажения. Получено, что для стереофотокамеры Fujifilm FinePix Real 3D дисторсия цифрового изображения достигает величины ±20–35 пикселей на краях фотоприемной матрицы и неодинакова для первого и второго объективов. Различие в значениях оптических искажений обусловлены неодинаковым наклоном фотоприемной матрицы к оптической оси объектива. Экспериментально определенны полиномы, компенсирующие искажения оптической системы первого и второго объективов стереокамеры.

Получено выражение для расчета дальности до объекта по стереоизображению с учетом компенсации оптических искажений. Показано, что для повышения точности измерения расстояний определяющим фактором является не абсолютное значение дисторсии объективов, а разность вносимых оптических искажений объективов стереокамеры в зависимости от разности координат измеряемого объекта на фотоприемных матрицах. Экспериментальные исследования разработанной методики компенсации искажений показали уменьшение абсолютной погрешности измерений более чем на порядок при измерениях на расстояниях до 100 м. 

263-270 739
Аннотация

Одной из наиболее частых причин разрушения многих металлических конструкций, в том числе и рельсов, является высокий уровень остаточных напряжений, которые могут достигать предела текучести, особенно в области дефектов. Знание величины внутренних напряжений в рельсах позволит получить информацию об их техническом состоянии, благодаря чему можно избежать аварийных ситуаций. Цель работы заключалась в создании модели напряженно-деформированного состояния рельса с учетом термического упрочнения головки и подошве и дальнейшего сопоставлении результатов моделирования с измерениями напряжений, полученных в ходе эксперимента.

Создание, а также расчет модели методом конечных элементов проводился в программной среде COMSOL. К головке и подошве рельса в продольном направлении были приложены силы, вызывающие сжимающие напряжения, к шейке рельса – силы, вызывающие растягивающие напряжения. Уровень напряжений, полученный при расчете модели рельса, был сопоставлен с соответствующим расхождением паза, который является информативным параметром при оценке уровня остаточных напряжений согласно действующему стандарту. Экспериментальные измерения выполнялись акустическим структуроскопом СЭМА, в основе которого лежит использование явления акустоупругости. Измерения выполнялись на пяти полнопрофильных пробах рельса.

Согласно результатам расчета модели, критическому уровню расхождения паза в 2 мм соответствует следующий уровень максимальных напряжений: –54 МПа в головке, 86 МПа в шейке и –62 МПа в шейке рельса. При проведении экспериментального исследования для различных рельсов получены следующие значения: от –48 МПа до –64 МПа в головке, от 54 МПа до 93 МПа в шейке рельса, от –59 МПа до –74 МПа в подошве рельса, погрешность измерения составила ±5 МПа.

Таким образом создана модель, позволяющая проводить анализ напряженно-деформированного состояния рельса и сопоставлять значение напряжений в рельсе с расхождением паза, выполненного в полнопрофильной пробе рельса. Результаты моделирования остаточных напряжений показали совпадение характера распределения напряжений с экспериментально полученными данными по пяти пробам рельсов. 

271-278 365
Аннотация

Цифровые изображения позволяют определять фотометрические и колориметрические свойства объектов при условии валидации всех элементов измерительного канала (цифровой камеры, программного обеспечения, дисплея) и решения проблемы ограничения их динамических диапазонов. Целью работы являлось исследование динамического диапазона цифровой камеры для ее дальнейшего использования в фотометрических и колориметрических измерениях.

Лаборатория фотоники в Институте микроэлектроники и оптоэлектроники (Варшавский технический университет, Польша) проводила сличительный эксперимент для определения порога чувствительности, линейности и диапазона применения цифровой камеры. Цветовые мишени были созданы на дисплее в виде аттестованных цветовых однородных полей и регистрировались с помощью цифровой камеры с пошагово увеличивающимся временем экспозиции, а затем осуществлялась обработка изображений и калибровка камеры в красном, зеленом и синем цветовых каналах для получения калибровочных зависимостей. Авторами предложен метод расширения динамического диапазона цифровой камеры для красного, зеленого и синего цветовых каналов интенсивностей посредством сопряжения градуировочных зависимостей и определения истинной яркости точки на объекте расчетным путем.

Полученные калибровочные зависимости (триады) имели форму петли гистерезиса и позволили расчетным путем расширить динамический диапазон. Эксперименты показали, что точность данного метода составляет ± 3–5 %. 

Метрологическое обеспечение измерений

279-285 284
Аннотация

Поле высокоэнергетического захватного гамма-излучения для калибровки приборов радиационной защиты можно получить в результате захвата тепловых нейтронов на мишенях из титана (до 7 МэВ) и никеля (до 10 МэВ). Целью данной работы являлось исследование полей захватного гаммаизлучения от мишеней из титана и никеля, полученных с использованием облучателя поверочной установки нейтронного излучения УПН-АТ140 для обеспечения дозиметрии до 10 МэВ.

В ходе работы определены энергетические интервалы, в которых можно калибровать дозиметрические приборы с учетом сопутствующего выходу нейтронов источника 238PuBe гамма-излучения захватного излучения материалов коллиматора и захватного излучения от мишеней.

Для измерения мощности кермы в воздухе гамма-излучения использовался эталонный дозиметр ДКС-АТ5350 с ионизационной камерой ТМ32002. С помощью Монте-Карло моделирования получено энергетическое распределение мощности кермы в воздухе для мишеней. Установлены геометрические размеры равномерного поля и интервал рабочих расстояний установки.

Исследованы характеристики полей захватного излучения от мишеней из титана и никеля, полученных на поверочной установке нейтронного излучения УПН-АТ140 с целью метрологического обеспечения дозиметрических приборов радиационной защиты. Показана возможность проведения калибровки дозиметрических приборов в таких полях в расширенном энергетическом диапазоне до 10 МэВ. 

286-296 289
Аннотация

Одним из ключевых элементов инженерной составляющей системы менеджмента качества процесса предоставления физкультурно-оздоровительных услуг в тренажерных залах является подсистема диагностики физического состояния клиента. Целью данной работы являлось повышение эффективности функционирования системы менеджмента качества процесса предоставления физкультурно-оздоровительных услуг в тренажерных залах за счет разработки методик корректного оценивания исходного состояния клиента.

Сформулирована задача формирования комплекса показателей исходного состояния по критерию необходимой информативности. Обоснован принцип функциональной взаимозаменяемости как методологическая основа для ее решения. Предложена иерархическая структура интегральной оценки исходного состояния клиента тренажерного зала. На ее основе разработана иерархическая модель нормирования информативности комплекса единичных (измеряемых) показателей, обеспечивающая объективность интегральной оценки исходного состояния. Корректность модели обеспечена за счет формулирования комплекса допущений и оригинальной технологии применения различных методов экспертного оценивания.

Результат моделирования информативности интегральной оценки исходного состояния клиента для конкретного вида услуги и целей физического совершенствования включает: 1) библиотеку наборов единичных показателей, для каждого из которых определена методика и средство контроля, а также оценка информативности в баллах, 2) правила обеспечения функциональной взаимозаменяемости альтернативных комплексов показателей по критерию достаточности информативности комплекса, основанные на аддитивных моделях и принятых ограничениях.

Предложена концепция методики формирования комплекса измеряемых и (или) оцениваемых показателей исходного состояния клиента для конкретного вида физкультурно-оздоровительной услуги, адаптированного под материально–технические возможности тренажерного зала с одной стороны, и отвечающего критерию необходимой информативности и принципу функциональной взаимозаменяемости, с другой стороны. 



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


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