Приборостроение-2019 9789855834763

Citation preview

MINISTRY OF EDUCATION OF THE REPUBLIC OF BELARUS STATE COMMITTEE ON STANDARDIZATION OF THE REPUBLIC OF BELARUS NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF BELARUS

BELARUSIAN NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY BELARUSIAN STATE INSTITUTE OF METROLOGY INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF BELARUS

INSTRUMENTATION ENGINEERING-2019 Proceedings of the 12th International Scientific and Technical Conference

November 13–15, 2019 Minsk, Belarus

Minsk BNTU 2019

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РЕСПУБЛИКАНСКОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ» ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ НАН БЕЛАРУСИ

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ-2019 Материалы 12-й Международной научно-технической конференции

13–15 ноября 2019 года Минск, Республика Беларусь

Минск БНТУ 2019

УДК 681.2(063) ББК 34.9я431 П 75 Редакционная коллегия: д-р техн. наук, профессор О.К. Гусев (председатель); канд. техн. наук, доцент Р.И. Воробей; д-р техн. наук, доцент Н.А. Жагора; д-р техн. наук, профессор М.Г. Киселёв; д-р физ.-мат. наук, доцент М.А. Князев; д-р физ.-мат. наук, профессор Н.В. Кулешов; чл.-корр. НАН Беларуси, д-р физ.-мат. наук, профессор А.М. Маляревич; д-р физ.-мат. наук, В.В. Машко; чл.-корр. НАН Беларуси, д-р техн. наук, профессор Ю.М. Плескачевский; канд. техн. наук, доцент А.И. Свистун; д-р техн. наук, профессор П.С. Серенков; д-р техн. наук, профессор В.Л. Соломахо; академик НАН Беларуси, д-р техн. наук, профессор С.А. Чижик; д-р физ.-мат. наук, профессор К.В. Юмашев; канд. техн. наук, доцент А.К. Тявловский (отв. секретарь) Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Н.И. Мухуров; чл.-корр. НАН Беларуси, д-р техн. наук, профессор А.В. Белый

Издание включает материалы 12-й Международной научно-технической конференции «Приборостроение-2019» по направлениям: измерительные системы и приборы, технические средства безопасности; методы исследований и метрологическое обеспечение измерений; физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения; оптико-электронные системы, лазерная техника и технологии. Материалы конференции могут представлять интерес для научных работников, преподавателей вузов, аспирантов, магистрантов и студентов, специалистов реального сектора экономики, занимающихся исследованиями, разработкой и производством приборов и измерительных систем.

ISBN 978-985-583-476-3

© Белорусский национальный технический университет, 2019

Пленарные доклады

ПЛЕНАРНОЕ ЗАСЕДАНИЕ УДК 535.421; УДК 681.7 АХРОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИК-ОБЪЕКТИВЫ Шишкин И.П., Шкадаревич А.П. Научно-технический центр «ЛЭМТ» БелОМО Минск, Республика Беларусь Объективы, работающие в инфракрасной области спектра применяются в тепловизионных приборах различного назначения: в военной технике, медицине, термографии. Требования, предъявляемые к качеству изображения объективов, определяются параметрами приёмников излучения ИК-диапазона – микроболометров, которые постоянно совершенствуются. До недавнего времени размер пикселя серийно-выпускаемых микроболометров составлял 25–35 мкм. Сейчас же многие производители наладили выпуск матриц с размером пикселя 12–17 мкм. С одной стороны, с уменьшением размера пикселя требуются объективы с более высоким разрешением, а с другой – повышаются тактико-технические характеристики прибора – увеличивается дальность работы, а масса и стоимость снижаются. Конструкция большинства современных объективов с фиксированным фокусом для тепловизоров включает 3–4 одиночных германиевых линзы, разделённых воздушными промежутками. Такая конструкция достаточно компактна, обеспечивает разрешение 20 лин/мм при светосиле 1.2~1.4 и имеет сравнительно невысокую стоимость. В то же время, выбор оптических материалов, прозрачных в спектральном диапазоне 8…14 мкм, весьма ограничен, а возможности улучшить качество изображения за счёт увеличения числа элементов или длины объектива практически исчерпаны. По этой причине многие разработчики активно используют в объективах асферические линзы [1, 2] или дифракционные элементы [3]. При таком подходе можно сократить количество линз, но не удаётся добиться качественного улучшения разрешающей способности объектива. К тому же профиль асферической поверхности обычно выполняется на линзах большого диаметра, что при относительным отверстии объектива 1:1 приводит к высоким требованиям к точности изготовления линз. И если говорить о балансе между качеством изображения и стоимостью объектива, то использование асферики не всегда целесообразно. Альтернативным методом достижения теоретического предела разрешения в объективе может быть его ахроматизация, которая заключается в подборе комбинации стёкол, имеющих различные коэффициенты дисперсии. С помощью этого метода можно эффективно компенсировать хроматические аберрации и тем самым значительно улучшить качество изображения объектива без

использования технологически сложных асферических поверхностей. На рис. 1 показан вид и график оптической передаточной функции ахроматизированного объектива с фокусным расстоянием 50 мм, относительным отверстием 1:1 и полем зрения 14°. Все линзы в объективе – сферические. Наружные линзы выполнены из германия, а средняя линза из стекла с низкой дисперсией. Объектив оптимизирован для спектра 8..12 мкм и имеет высокий контраст изображения на пространственной частоте 30 лин/мм, что соответствует размеру пикселя 15 мкм. 19:22:30

8.93

f50/1

Scale:

2.80

MM

25-Feb-19

а

б Рисунок 1 – Ахроматизированный объектив с фокусным расстоянием 50 мм: а – вид объектива; б – график оптической передаточной функции

По такому же принципу построен термостабилизированный 4х линзовый объектив (рис. 2) с фокусным расстоянием 75 мм, относительным отверстием 1:1 и полем зрения 10°, в котором наружные линзы выполнены из германия, а внутренние – из материала с низким показателем

5

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

преломления. Все линзы объектива сферические. Результат пассивной стабилизации, когда определённая комбинация линз обеспечивает постоянство положения плоскости изображения при изменении рабочих температур от -50° до +50°С иллюстрируют графики оптической передаточной функции. 19:38:02

ческие и выполнены из германия [4], можно получить более высокие оптические характеристики. На рис. 3 показан пример ахроматизированного восьмилинзового объектива с переменным фокусным расстоянием 30–150 мм и относительным отверстием 1:1, в котором все линзы сферические, а три линзы выполнены из матери-ала с более низким, чем у германия показателем преломления. Объектив имеет ровное разрешение во всём диапазоне фокусных расстояний, а благодаря фунукции зум в нём нетрудно реализовать температурную стабилизацию. 20:51:14

13.89

f75x1

Scale:

1.80

MM

25-Feb-19

а

34.72

f30-150/1

Scale:

0.72

MM

13-Mar-19

а

б

б Рисунок 3 – Ахроматизированный объектив с переменным фокусным расстоянием 30–150 мм: а – вид объектива; б – график оптической передаточной функции Литература

в Рисунок 2 – Термостабилизированный ахроматизированный объектив с фокусным расстоянием 75 мм: а – вид объектива; б – график оптической передаточной функции для Т = -50 °С; в – график оптической передаточной функции для Т = +50°С

Применив метод ахроматизации в тепловизионном зум объективе, все линзы которого асфери-

6

1. Patent US2009067040 МПК G02В 13/14. Far-infrared camera lens, lens unit and imaging apparatus / Tatsuya Izumi. – Pub.Date: Mar. 12, 2009. 2. Patent US2018067280 МПК G02В 13/14. Athermalized and achromatized multispectral optical systems and method of designing same / Blair Lane Unger, Jamie Leigh Ramsey. – Pub.Date: Mar. 8, 2018. 3. Patent US2016131876 МПК G02В 13/14. Compact achromatic and passive optically-only athermalized telephoto lens / Norbert Schuster. – Pub.Date: May 12, 2016. 4. Patent US2011216398 МПК G02В 13/14. Infrared zooming lens / Ando Minori. – Pub.Date: Nov 8, 2011.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Секция 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА БЕЗОПАСНОСТИ УДК 504.064 АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТРИЦЫ ОТНОШЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ СОСТАВА ВОД Алексеев В.А., Усольцев В.П., Юран С.И. Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова Ижевск, Российская Федерация Современное развитие промышленности, энергетики, коммунального хозяйства и других видов человеческой деятельности связано с необходимостью использования чистой и последующего сброса загрязненной воды [1]. Все сточные воды перед сбросом в водоем подвергаются очистке от вредных веществ. Для выполнения этих требований применяют механические, химические, биологические, а также комбинированные методы очистки. Состав очистных сооружений выбирают в зависимости от характеристики и количества поступающих на очистку сточных вод, требуемой степени их очистки, метода использования их осадка и от других местных условий в соответствии с нормативными и директивными документами [2, 3]. В зависимости от загрязненности и требуемой степени очистки сточных вод в состав очистных сооружений могут включатся сооружения механической, биологической, физико-химической и дополнительной очистки. В реальных системах очистки сточных вод, обычно нельзя проводить активные эксперименты, поэтому данные обычно представляют собой результаты наблюдения за происходящим процессом в течение длительного времени. В связи с модернизацией систем фильтрации, изменением количества источников загрязнения, конкретных видов и природы загрязнений, изменения количества постоянных пользователей очистных сооружений, полученные результаты имеют приблизительный характер. Это не позволяет идентифицировать источник загрязнения, прогнозировать превышение допустимых показателей и несанкционированный сброс сточных вод, предсказать поведение систем фильтрации с необходимой степенью детальности на основе учета обозримого набора ключевых параметров. Что особенно важно, полученные статистические данные не позволяют при аварийных сбросах оценить катастрофичность ситуации [4]. Применение конкретных способов, технологий, сооружений очистки сточных вод, либо их комбинирование на каждом этапе обработки, определяется химическим составом, физическими свойствами и объемом сточных вод. В зависимости от наличия или отсутствия определенных классов загрязняющих веществ исключаются

некоторые стадии водоочистки, что служит критерием при проектировании и строительстве установок очистки воды и очистных сооружений. Выбор технологической схемы очистки осуществляется на основе технико-экономического сравнения по приведенной стоимости на строительство и эксплуатацию сооружений согласно санитарных норм и правил. Расчет конструктивных размеров отдельных сооружений и технологических параметров при этом производится по критериям оптимальности: максимального эффекта очистки либо минимального их объема, которые выбирают при сравнении альтернативных вариантов аппаратурного оформления очистных сооружений по технико-экономическим показателям и при решении задачи размещения объектов очистных сооружений на генплане [5]. Каждому виду загрязнений и типу сточных вод соответствует метод или группа методов, пригодных для их очистки. В то же время, многие методы очистки сточных вод позволяют удалять более одного типа загрязнений, что и применяется при проектировании и строительстве установок очистки воды и очистных сооружений. Современные предприятия становятся многопрофильными, что требует использования различного оборудования и технологий, в том числе, с распределенным во времени выпуском изделий различного профиля. При этом задача очистки сточных вод усложняется, поскольку меняется по времени состав сточных вод. Это требует создания сложных, дорогостоящих систем очистки, фильтров сточных вод, или построения распределенной системы сточных вод, содержащей несколько канализационных каналов с различными фильтрами с возможностью перераспределения потоков сточных вод по времени. Возникает техническая и научная задача автоматического (интеллектуального) распределения потоков по диагностике состава сточных вод и принятия решения на управление заслонками для перекрытия потоков сточных вод по канализационным ответвлениям. Нами предложен алгоритм диагностики и распределения потоков сточных вод с анализом основных (значительных) составляющих сточных вод. На основании известной статистики основ-

7

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

ных составляющих характеристики сточных водах в пределах 10–20 показателей. Выделенные показатели можно представить в виде решетчатой функции РФ = {𝑆1 , 𝑆2 , … 𝑆𝑛 } из n составляющих (рис. 1).

На выбор составляющих с различной формой решетчатой функции будут влиять и технологии фильтрации сточных вод.

Рисунок 1 – Решетчатая функция выделенных показателей

Каждая решетчатая функция имеет свою форму огибающей, которая и определяет выбор технологии фильтрации. Если анализировать решетчатую функцию априорно или в реальном масштабе времени, то возможно сделать выбор технологии или фильтра очистки. Предлагается анализировать форму решетчатой функции с помощью матрицы отношений составляющих решетчатой функции [R], построенную через отношения порядка между составляющими решетчатой функции [6].

При построении алгоритма распознавания решетчатой функции можно использовать только одну или две диагонали матрицы, что значительно упрощает процедуру распознавания. Представление решетчатой функции в виде матрицы отношения инвариантно к линейным изменениям решетчатой функции, что имеет значение для анализа характеристик потоков с различной плотностью сточных вод. Предложенный подход может быть использован и при фильтрации сточных вод, содержащих аварийные сбросы вредных веществ, которые априорно учтены при проектировании системы фильтрации. Таким образом, систему сточных вод можно представить в виде схемы (рис. 2), где З – заслонки, Ф – фильтрующее оборудование, А – анализатор характеристики потоков сточных вод, БР – блок распознавания, БУЗ – блок управления заслонками. Для определения эталона распознавания выбор основных составляющих решетчатой функции производится априорно на основании статистического анализа сточных с помощью эксперимента или вычислительной модели.

8

Рисунок 2 – Структурная схема системы

В результате синергетического объединения аппаратуры точной механики с электронными, электротехническими приборами и компьютерными программами, обеспечивается проектирование и производство качественно новых модулей и унифицированного оборудования с интеллектуальным управлением их функциональным движением [7, 8]. В указанном случае система контроля сточных вод [9] представлена в виде совокупности функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных унифицированных технических средств получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностики, идентификации, управления и т. д. Предложенный аппаратно-программный комплекс контроля сточных вод позволяет регистрировать изменения физико-химических свойств растворов, воды и биологических жидкостей под влиянием эндогенных факторов, а также воздействием внешних воздействий [10]. Использование математического аппарата теории вероятностей, массового обслуживания, случайных потоков [11] позволяет оптимизировать вероятностно-временные характеристики очистных сооружений сточных вод с помощью формального представления потока поступления сточных вод на очистные сооружения потоком Эрланга, порядок которого определяется количеством налагаемых ограничений использования модульной координации и унифицированного оборудования. Литература 1. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод. Под редакцией Яковлева С.В. – М.: Стройиздат, 1985. – 335 с. 2. Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твердых бытовых отходов: монография [Я.И. Вайсман и др.]; под ред. Я.И. Вайсмана; Пермский нац. исслед. политехнический ун-т, НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н. Сысина. Пермь : Изд-во Пермского нац. исслед. политехнического ун-та. 2012. – 258 с.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 3. Розенгарт Т.К. Технико-экономическое обоснование выбора проектных решений систем водоотведения и канализации/ Методические указания, СПб. – 1992. 4. Кичигин В.И. Выбор систем водоотведения в условиях неопределенности // Инженерная защита окружающей среды: Материалы докладов Международной конференции. – М.: МГУИЭ, 2000. – С. 5–16. 5. Усольцев В.П., Юран С.И. Достоверность санитарно-эпидемиологического анализа сточных вод при большом количестве случайных воздействий и отсутствии доминирующего фактора // Теоретическая и прикладная экология. – 2016. – № 3. – С. 19–24. 6. Алексеев В.А. Классификатор пульсовых кривых с использованием матриц отношения / В.А. Алексеев, К.И. Дизендорф, С.И. Юран // Интеллектуальные системы в производстве. – 2010. – № 1(15) – Ижевск : Изд-во ИжГТУ. – С. 231–235. 7. Жавнер В.Л. Мехатронные принципы проектирования технологического оборудования / В.Л. Жав-

нер, А.Б. Смирнов // Конструктор-машиностроитель. – 2008. – № 3. – С. 12–15. 8. Смирнов А.Б. Элементная база автоматических машин. Мехатронные модули микроперемещений технологических машин: учеб. пособие / А.Б. Смирнов. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 172 с. 9. Алексеев В.А., Усольцев В.П., Юран С.И., Шульмин Д.Н. Комплекс контроля изменений оптической плотности сточных вод // Приборы и методы измерений. – 2018. – Том 9, № 1. – С 7–16. DOI: 10.21122/2220-9506 10. Патент РФ №153362 на полезную модель МПК G01N15/06. Устройство устранения аварийного выброса / Алексеев В.А., Девятов Н.А., Юран С.И., Усольцев В.П. – Опубл. 20.07.2015. 11. Александровская Л.Н. Риск-ориентированный контроль содержания в воде загрязняющих веществ / Л.Н. Александровская, О.М. Розенталь // Аналитика и контроль. – 2016. – Т. 20, № 1. – С. 6–14.

УДК 620.179.17 ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МЕАНДРОВОГО ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ К МЕХАНИЧЕСКИМ НАПРЯЖЕНИЯМ ПРИ ИЗГИБЕ В ФЕРРОМАГНЕТИКЕ Бусько В.Н., Венгринович В.Л., Кмита К.Ю. Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь Вихретоковый метод относится к одним из наиболее распространенных и эффективных физических методов неразрушающего контроля (НК), дефектоскопии и исследования электропроводящих материалов, изделий, деталей и конструкций. Он основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля внешнего источника с электромагнитным полем вихревых токов (ВТ), возбуждаемых в объекте контроля переменным магнитным полем. Возбуждение и регистрация ВТ в материале производятся с помощью вихретокового преобразователя (ВП), от технических характеристик и конструкции которого зависят эффективность и достоверность получаемых результатов. В последнее время при использовании вихретокового метода все большее распространение получают меандровые вихретоковые преобразователи (МВП) накладного типа на гибкой или негибкой основе. Такие МВП на Западе получили широкое распространение для решения различных задач НК и дефектоскопии поверхностных и нанесенных слоев в проводящих материалах [1– 2], однако, в РБ еще не получили широкого распространения. В связи с этим целью работы является конструирование, испытание и исследование возможности применения МВП, в частности, для оценки механических напряжений в ферромагнитных материалах. При испытании и оценке чувствительности МВП к механическим напряжениям (с учетом их знака) использовались различные типы и конструкции изготовленных в ИПФ НАН Беларуси

датчиков, отличающихся между собой габаритами, толщиной и видом основания, сечениями обмоток катушек возбуждения и регистрации, схемами их подключения, компоновкой и количеством одинарных МВП в матричном преобразователе, а также индуктивностью, реактивным и активным сопротивлениями [3–5]. Для исследования оценки чувствительности МВП к величине и знаку приложенных напряжений использована представленная на рис. 1 схема формирования в образце механических напряжений и место установки датчика.

Рисунок 1 – Схема исследования и оценки чувствительности МВП к механическим напряжениям в ферромагнитном образце

В качестве МВП использовался экспериментальный макет плоского одинарного меандрового датчика с размещенными внизу корпуса карандашного типа круглого сечения S ≈ 0,8 см2 двумя катушками – возбуждения и регистрации вихретокового сигнала, представляющего собой накладной преобразователь трансформаторного типа. При этом обе катушки МВП находились в одной плоскости. Для расширения функцио-

9

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

нальных возможностей метода и повышения эффективности МВП был специальным образом адаптирован к вихретоковому дефектоскопу типа «Вектор» производства РФ, предназначенному для дефектоскопии, контроля и исследования качества изделий из электропроводящих материалов (рис. 2).

φ также изменялись, но более сложным образом и незначительно. Видно, что с увеличением веса грузов (уровня напряжений) МВП регистрирует изменение вихретокового сигнала практически во всем диапазоне изменения напряжений, что свидетельствует о наличии чувствительности датчика к приложенным напряжениям в образце. 0 0

8

30

38

68

83

100

130

200

238

300

368

400

430

ЭДС, коорд. Х

-5

-10

-15

-20

Рисунок 2 – Фотография внешнего вида вихретокового дефектоскопа «Вектор» в комплекте с экспериментальным образцом исследуемого меандрового вихретокового преобразователя

Таблица – Основные характеристики используемого одинарного меандрового вихретокового преобразователя

S, мм2 Rов , Ом Rор, Ом Lов, мГн Lов, мГн 78,5 2,5 31,5 36 61 Примечание: ов – обмотка возбуждения, ор – обмотка регистрации

Исследовались образцы из различных ферромагнитных материалов, одним из них был образец из стали Ст.3 в форме прямоугольной пластины размером 130×22×2 мм. Несущая частота генерации обмотки возбуждения МВП составляла 1,03 МГц. Уровень мощности генератора возбуждения составлял 70 % от максимальной. Так как сигнал МВП представлял собой комплексную величину, состоящую из вносимого активного и индуктивного сопротивлений, то информативными параметрами являлись амплитуда вихретокового сигнала, фаза, сдвиг его по координатам X и Y, а также вихретоковый годограф – векторное изображение (или направление вектора) изменения сигнала под влиянием каждого переменного значения на комплексной плоскости. На рис. 3 представлены полученные экспериментальным путем зависимости изменения параметра вихретокового сигнала (ЭДС) по координате X от веса грузиков, с помощью которых в образце формировались механические напряжения. Смещение по координате Y и угол поворота фазы

10

вес груза, г

а 120 100 80 ЭДС, коорд. Х

При подключении МВП к вихретоковому дефектоскопу использовалась специальная схема согласования с входом прибора. Для использования всех приборных функций и возможностей МВП обе его катушки соединялись последовательно, в итоге он стал параметрическим, что упростило управление прибором и улучшило частотную характеристику преобразователя. Основные характеристики (индуктивность L, активное сопротивление R, габариты) МВП приведены в таблице.

-25

60 40 20 0 0

8

30

38

68

83

100

130

168

200

238

300

-20 вес груза, г

б Рисунок 3 – Зависимость сигнала (координаты Х) одинарного меандрового вихретокового преобразователя от веса грузиков при: а – растяжении; б – сжатии: точки – эксперимент, линия – аппроксимация (полином)

Изменение уровня растягивающих (σр) и сжимающих (σс) напряжений приводит к изменению ЭДС вихретокового сигнала, при этом чувствительность к σс выше, чем к σр. Чувствительность МВП к напряжениям растяжения наблюдается в диапазоне изменения веса грузиков примерно от 68 г до 238 г – при сжатии и от 8 г до 430 г – при растяжении, что соответствует формируемым в образце значениям σс в диапазоне от 26 до 86 МПа и σр ≈ от -3 до ≈ -150 МПа. Видно, что чувствительность МВП к напряжениям сжатия превосходит чувствительность к напряжениям растяжения, однако диапазон ее изменения значительно уже. На рис. 4 в качестве иллюстрации представлены примеры годографов МВП, полученные с помощью фотосъемки с экрана вихретокового дефектоскопа «Вектор» с одновременным отображением текущих значений координат Х, Y для двух значений веса грузиков с напряжением растяжения σр при изгибе в образце стали Ст. 3 с более низким коэффициентом усиления сигнала в приборе. Видно, что меняется также и комплексная величина, ответственная за индуктивную составляющую вихретокового сигнала.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Анализируя годограф, можно оптимизировать параметры и конструкции МВП, обеспечивающие максимальную чувствительность к механическим напряжениям.

оценки и контроля критического уровня механических напряжений, как в образцах, так и в конструкциях, изготовленных из различных ферромагнитных материалов. Литература

а

б

Рисунок 4 – Пример изображения (фото) годографов МВП с экрана дефектоскопа: а – образец без нагружения; б – с грузом 300 г

Таким образом, выполненный эксперимент показал, что плоский одинарный меандровый вихретоковый преобразователь в комплекте с серийно выпускаемым вихретоковым дефектоскопом имеет высокую чувствительность к механическим напряжениям растяжения и сжатия при изгибе. Полученные результаты могут быть использованы при конструировании и изготовлении одинарных и матричных МВП для исследований,

1. Goldfine N., Zilberstein V., Сardill S., Schlicker D. MVM-Arrau Eddi Current Sensors for Detection of Cracks in Regions with Fretting Damage // ASNT Matherials Evaluation, V.60, №7. – 2002. 2. Неразрушающий контроль: справочник: в 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 2.- М.: Машиностроение, 2003. – 688 с. 3. Венгринович В.Л., Ануфриева Г.Н. Технология получения гибких датчиков для вихретокового контроля // матер. межд. НТК «Приборостроение-2012», 21-23.10.2012. – С. 29–30. 4. Бусько В.Н., Венгринович В.Л. Повышение уровня сигнала матричного меандрового вихретокового преобразователя / Матер. межд. НТК «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии», 2728.04.2018, Могилев, ГУ ВПО «Белорусско-российский университет», 2018. – С. 346–347. 5. Бусько В.Н., Венгринович В.Л., Кмита К.Ю. Испытания и исследования меандровых вихретоковых преобразователей // Матер. 11-й межд. НТК «Приборостроение-2018», 14-16.11.2018, Минск, БНТУ, 2018. – С. 10–11.

УДК 621.317.328:621.372.8 ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЩЕЛЕВЫХ ВОЛНОВОДОВ С ЗАПОЛНЕНИЕМ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМ ПОЛИМЕРОМ Гончаренко И.А., Рябцев В.Н. Университет гражданской защиты МЧС Республики Беларусь Минск, Республика Беларусь Измерения электромагнитных полей играют значительную роль в различных областях науки и техники. При этом значительными преимуществами обладают оптические датчики электрического поля благодаря малым размерам, меньшему весу, более высокой чувствительности, широкому спектральному диапазону, защищенностью канала передачи данных от воздействия помех [1]. Ранее нами была рассмотрена схема оптического датчика электрического поля с использованием жидких кристаллов [2]. Такие датчики позволяют измерять переменные электри-ческие поля с частотой лишь до десятков кГц. Однако в ряде случаев, например, при детектировании СВЧ волн высокой мощности, электромагнитных импульсов, анализе внешних электро-магнитных помех, проверке электромагнитной совместимости и т.д., возникает необходимость измерения параметров электрических полей с частотой более 1 МГц. В данной работе рассматривается структура и принцип работы оптического датчика высокочастотных электромагнитных полей на основе микрокольцевых резонаторов на базе оптических

волноводов с горизонтальной и вертикальной щелью, заполненной электрооптическим полимером (ЭОП). Кольцевой микрорезонатор имеет набор резонансных длин волн. Излучение, распространяющееся по входному волноводу на длинах волн, совпадающих с резонансными, поступает в кольцевой волновод. Оставшаяся часть излучения на других длинах волн распространяется дальше, практически не ответвляясь в микрорезонатор. Ответвленное в кольцевой волновод излучение переходит из него в выходной волновод. Таким образом, в выходной волновод поступает излучение узких спектральных диапазонов, центральные длины волн которых соответствуют резонансным длинам волн микрорезонатора. Ширина этих диапазонов задается коэффициентом связи кольцевого и прямых волноводов, а также параметрами самого микрорезонатора. Если щелевой волновод с ЭОП заполнением внести во внешнее электрическое поле, показатель преломления ЭОП изменится пропорционально величине электрического поля. Это в свою

11

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

очередь приведет к изменению эффективного показателя преломления щелевого волновода. В результате изменится оптическая длина кольцевого резонатора и сместится его резонансная длина волны. Это приведет к изменению интенсивности выходного сигнала на несущей длине волны, совпадающей с резонансной длиной волны невозмущенного резонатора. Таким образом, измеряя интенсивность выходного оптического сигнала на выходе резонатора, можно определять напряженность электрического поля, воздействующего на резонатор. Электрооптические материалы позволяют измерять переменные электрические поля с частотой 1–10 ГГц. В частности, в работе [3] экспериментально продемонстрирована возможность определения напряженности переменного электрического поля с частотой до 8,4 ГГц с использованием активного органического полимера SEO125. Такой полимер обладает малыми оптическими потерями для излучения с длиной волны 1550 нм, большим электрооптическим коэффициентом и хорошей временной стабильностью. Быстродействие устройства определяется временем установления стационарного режима в кольцевом микрорезонаторе и временем отклика электрооптического полимера. Время установления стационарного режима составляет 25.73 пс для волноводов с вертикальной щелью и 24.66 пс для волноводов с горизонтальной щелью. Это соответствует частоте порядка 40 МГц. Таким образом, быстродействие датчика на базе кольцевых микрорезонаторов на основе щелевых волноводов с заполнением электрооптическим полимером ограничено в основном временем отклика полимера. Расчет эффективного показателя преломления и распределение полей мод изогнутых щелевых волноводов с заполнением ЭОП проводился с помощью метода линий [4], модифицированного для исследуемой структуры. В качестве начальных параметров оптического излучения использовались параметры полупроводникового лазера FU-68PDF-V510M с выходной оптической мощностью 15 мВт на длине волны 1,5 мкм. Оптическое излучение на выходе из кольцевого резонатора преобразовывалось в электрический сигнал p-i-n фотодиодом ФД161 на основе соединения InGaAs. Токовая чувствительность такого фотодиода на рабочей длине волны 1,5 мкм не менее 0,8 А/Вт, темновой ток – не более 20 нА. На рис. 1 представлена зависимость сигнала на выходе резонатора на базе изогнутого волновода с вертикальной щелью с заполнением ЭОП от напряженности внешнего электрического поля. Наклон кривых, описывающих зависимость выходного сигнала от интенсивности воздействия электрического поля, характеризует чувствитель-

12

ность датчика. Чувствительность и измерительный диапазон датчика на основе волновода с вертикальной щелью с заполнением ЭОП представлены в табл. 1.

Рисунок 1 – Зависимость сигнала на выходе кольцевого резонатора на основе волновода с вертикальной щелью с заполнением ЭОП от напряженности электрического поля. Ширина щели 400 нм, радиус изгиба волновода 16 (1), 32 (2), 64 (3) мкм Таблица 1 – Параметры датчика на основе волновода с вертикальной щелью с заполнением ЭОП с шириной щели 400 нм Радиус резонатора, мкм 16 32 64 Диапазон измерений, 10…300 10…130 10…50 В/мкм Чувствительность, 0,043 0,102 0,283 нА/(В/м)

Как видно из рисунка и таблицы, датчики на основе вертикальных щелевых волноводов с заполнением ЭОП могут быть использованы для измерения внешних электрических полей в пределах от 10 до 3×108 В/м. Изменение напряженности электрического поля на 1 В/м вызывает изменения тока фотодиода в таком датчике примерно на 0,2 нА (чувствительность датчика равна 0,2 нА/(В/м)). Поскольку темновой ток фотоприемника порядка 20 нА, очевидно, что такой датчик не позволяет отслеживать изменения напряженности внешнего электрического поля менее чем на 100 В/м.

Рисунок 2 – Зависимость сигнала на выходе кольцевого резонатора на основе волновода с горизонтальной щелью с заполнением ЭОП от напряженности электрического поля. Высота щели 400 нм, радиус резонатора 16 (1), 32 (2), 64 (3) мкм

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

На рис. 2 показана зависимость сигнала на выходе кольцевого микрорезонатора на базе волновода с горизонтальной щелью, заполненной ЭОП, от напряженности внешнего электрического поля. Чувствительность и измерительный диапазон датчика на основе волновода с горизонтальной щелью с заполнением ЭОП представлены в табл. 2. Таблица 2 – Параметры датчика на основе волновода с горизонтальной щелью с заполнением ЭОП с высотой щели 400 нм Радиус резонатора, мкм 16 32 64 Диапазон измерений, В/мкм 1 … 47 1 … 24 1 … 12 Чувствительность, нА/(В/м) 0,237 0,474 0,982

Как видно из рисунка и таблицы, датчики на основе горизонтальных щелевых волноводов более чувствительны к электрическому полю, чем вертикальные щелевые волноводы. При изменении напряженности электрического поля на 1 В/м ток фотодиода в таком датчике изменяется примерно на 1 нА (чувствительность датчика равна 1 нА/(В/м)). Таким образом, датчик позволяет отслеживать изменение интенсивности электрического поля порядка 30–50 В/м. Однако ширина диапазона измерений значительно уже в сравнении с датчиком с вертикальной щелью (порядка 2×107 В/м). Таким образом, волноводы с вертикальной щелью можно использовать для грубого определения напряженности электрического поля, а резонаторы с горизонтально-щелевыми волноводами – для более точного ее измерения. Датчик позволяет измерять переменные электрические поля с частотой до 10 МГц. Чувстви-

тельность датчика ограничена параметрами фотоприемника, в частности, величиной темного тока. При использовании фотоприемника, рассмотренного в работе, датчик позволяет измерять изменения напряженности электрического поля порядка 30 В/м. Чувствительность датчика с ЭОП на порядок хуже, чем у аналогичного устройства с использованием ЖК [3]. Это объясняется тем, что изменения показателя ЭОП под воздействием электрического поля на несколько порядков меньше, чем у ЖК. Однако устройство с ЭОП позволяет измерять поля с частотой до 10 МГц, тогда как датчик с ЖК – лишь до десятка кГц. Тем не менее, разрешение предложенного устройства значительно выше, чем разрешение датчиков на основе нерезонансных структур и сравнимо с разрешением датчиков, использующих резонансные структуры (антенны, кольцевые резонаторы). Литература 1. Passaro, V.M.N. Electromagnetic field photonic sensors / V.M.N. Passaro, F. Dell’Olio, F. De Leonardis // Progress in Quantum Electronics. – 2006. – Vol. 30. – P. 45–73. 2. Goncharenko, I. Electric field sensing with liquidcrystal-filled slot waveguide microring resonators / I. Goncharenko, M. Marciniak, V. Reabtsev // Applied Optics. – 2017. – V. 56, no. 27. – P.7629–7635. 3. Zhang, X. Integrated photonic electromagnetic field sensor based on broadband bowtie antenna coupled silicon organic hybrid modulator / Xingyu Zhang [et al.] // J. Lightwave Technology. – 2014. – V. 32, no. 20. – P. 3774–3784. 4. Pregla, R. The method of lines for the analysis of dielectric waveguide bends / R. Pregla // Journal of Lightwave Technology. – 1996. – Vol. 14, no.4. – P. 634–639.

УДК 003.26.004.7.004.9 ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ УПРАВЛЕНИИ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ Завадская Т.Е. Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Москва, Российская Федерация Эффективность любой автоматизированной системы в значительной степени определяется состоянием защищенности (безопасностью) перерабатываемой в ней информации. Этот постулат справедлив, прежде всего, для автоматизированных систем, функционирующих в составе энергетических объектов. Безопасность информации – состояние защищенности информации, носителей и средств, обеспечивающих ее получение, обработку, хранение, передачу и использование, от различного вида угроз. Угроза – потенциально возможное событие, действие или процесс, которое посредством воздействия на компоненты информационно-управляющей сети может привести к гибели людей,

нанесению материального, морального или иного ущерба ресурсам объекта. Источниками угроз информации являются факторы внешней среды, человеческий фактор, аппаратные и программные средства, используемые при разработке и эксплуатации информационно-управляющих систем (ИУС) объекта. Порождаемое данными источниками множество угроз безопасности информации можно разделить на два класса: непреднамеренные (случайные) и преднамеренные. Случайные угрозы связаны, главным образом, со стихийными бедствиями, сбоями и отказами технических средств, а также с ошибками в работе персонала и аппаратно-программных средств. Реализация этого класса угроз приводит,

13

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

как правило, к нарушению достоверности и сохранности (целостности) информации в ИУС, реже – к нарушению конфиденциальности, однако при этом могут создаваться предпосылки для злоумышленного воздействия на информацию. Угрозы второго класса носят преднамеренный характер и связаны с незаконными действиями посторонних лиц и персонала ИУС. В общем случае, в зависимости от статуса по отношению к ИУС злоумышленником может быть: разработчик ИУС, сотрудник из числа обслуживающего персонала, пользователь или постороннее лицо. Большие возможности оказания вредительских воздействий на информацию ИУС имеют специалисты, обслуживающие эти системы. Причем, специалисты разных подразделений обладают различными потенциальными возможностями злоумышленных действий. Наибольший вред могут нанести работники службы безопасности информации. Далее идут системные программисты, прикладные программисты и инженерно-технический персонал. Реализация угроз безопасности информации приводит к нарушению основных свойств информации: достоверности, сохранности (целостности) и конфиденциальности. Результатом воздействия угроз является ухудшение качества функционирования аппаратно-программных средств и характеристик обрабатываемой информации, что в конечном итоге приводит к ухудшению качества функционирования ИУС, снижению эффективности решаемых ею задач и тем самым к нанесению ущерба ее пользователям или владельцам. Преднамеренные угрозы в соответствии с их физической сущностью и механизмами реализации могут быть распределены по пяти группам: – шпионаж и диверсии; – несанкционированный доступ к информации; – электромагнитные излучения и наводки; – несанкционированная модификация структур; – вредительские программы. Действия злоумышленника в рамках указанных пяти групп подпадают под определение терроризма и квалифицируют себя в качестве терроризма кибернетического. В соответствии с ним, терроризм – это сознательное и целенаправленное использование насилия или угрозы насилия для принуждения общества, государства, правительства к реализации политических, идеологических, религиозных, экономических целей организации или отдельной личности. Особенную опасность для объектов энергетики представляет несанкционированная модификация алгоритмической, программной и технической структур информационно-управляющей системы. Для достижения требуемой или максимальной достоверности обработки информации ИУС

14

критически важных объектов энергетики используются специальные методы повышения надежности и живучести системы, основанные на введении в структуры обработки информации информационной, временной или структурной избыточности. Надёжность ИУС – свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Живучесть (выживаемость) определяется как свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при воздействии на него угроз двух рассмотренных типов (в том числе при террористических актах). Разделяют структурную и функциональную живучесть. Структурная избыточность характеризуется введением в состав АС дополнительных элементов (резервирование, реализация одной функции различными процедурами, схемный контроль и др.). Временная избыточность связана с возможностью неоднократного повторения определённого контролируемого этапа (фазы) обработки информации. Информационная избыточность характеризуется введением дополнительных источников разрядов в используемые аппаратно-программные средства и дополнительных операций в процедуры переработки информации, имеющих математическую или логическую связь с алгоритмом переработки, обеспечивающих в результате применения выявление и исправление ошибок определённого типа. При эксплуатации ИУС существует возможность разрушения информационных массивов (ИМ), которая приводит к появлению ошибок в результатах, невозможности решения некоторых функциональных задач или к полному отказу ИУС. Методы повышения сохранности информации в ИУС в зависимости от вида их реализации можно разделить на организационные и аппаратно-программные. Совокупность методов и средств обеспечения безопасности информации ИУС критически важного объекта энергетики составляют, в соответствии с ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408-2002, политику информационной безопасности такого объекта. Для отработки политики информационной безопасности необходимо имитационное моделирование работы программ и аппаратуры, реализующих рассмотренные методы противодействия угрозам. Натурное моделирование невозможно из-за его дороговизны, математическое – крайне затруднительно в силу слишком значительной размерности интегро-дифференциальных уравнений, составляющих основу модели. В настоящее

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

время активно разрабатываются моделирующие аналитико-имитационные комплексы средств защиты информации на основе реализации методов искусственного интеллекта. Утечка информации может происходить и в не действующих, но проложенных оптоволоконных сетях. Для этого злоумышленник искусственно вводит в кабель сигнал, который после будет модулирован акустическими волнами. При такой утечке, обнаружить её можно по наличию излучения, которого быть не должно. Если утечка происходит в действующей сети, то утечку можно выявить анализом сигнала на модуляцию. Кроме того, устанавливаются средства диагностики состояния в конце линии, которые проверяют потери интенсивности. Если потери больше 0,1 Дб, то считается, что есть вероятность попытки доступа к информации в ВОЛС. Потери возникают и без установленных средств разведки, но они значительно ниже. На текущий момент, канал утечки информации для критически важных систем мало изучены. Разрабатываются как методы съёма инфор-

мации, так и методы защиты. Это мощные программно-аппаратный продукт, способный обеспечить защищённость сети. Однако, даже в таком новом, с точки зрения физики, канале утечки, остаются старые проблемы, в первую очередь проблема НСД. В общем, критически важные объекты обладают особо опасными каналами утечки. По возможностям утечки он вполне сопоставим с другими каналами, а по характеристикам (пропускная способность и прочее) гораздо опаснее. Можно сделать вывод, что исследования в указанной области являются настоятельной необходимостью. Литература 1. Зегжда Д.П., Ивашко А.М. Основы безопасности информационных систем. – М.: Горячая линия – Телеком, 2017. 452 с. 2. Лебедь С.В. Межсетевое экранирование. Теория и практика защиты внешнего периметра. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2012. – 304 с. 3. Малюк А.А. Информационная безопасность. Концептуальные и методологические основы защиты информации. Учебное пособие. М.: Горячая линия – Телеком, 2014 г. – 280 с.

УДК 614.84 ВЛИЯНИЕ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ РАСХОДА И СПОСОБА НАНЕСЕНИЯ ОГНЕЗАЩИТНОЙ КОМПОЗИЦИИ Нератова В.В.1, Антошин А.А.2 Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь Минск, Республика Беларусь 2 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь

1

Нанесение на древесные материалы огнезащитной пропитки способствует снижению горючих свойств древесины. В литературе [1, 2] приводится описание огнезащитных пропиток древесины, поверхностной и глубокой пропитки. В работе [3] сообщаются результаты оценки влияния расхода огнезащитного состава на диэлектрическую проницаемость обработанной древесины. Исследования авторов [4] позволяют утверждать, что наиболее эффективным методом неразрушающего контроля свойств многих неоднородных материалов является электроемкостной метод. Согласно [5] емкость накладного измерительного конденсатора, заполненного исследуемым материалом, прямо пропорциональна его диэлектрической проницаемости. Следовательно, увеличение или уменьшение емкости накладного конденсатора, расположенного на поверхности образца древесины, говорит об изменении ее диэлектрической проницаемости. Однако в работах [3, 6] не приводится информация о влиянии способа

нанесения огнезащитных составов на диэлектрическую проницаемость обработанной древесины. В настоящей работе изучалось влияние на диэлектрическую проницаемость интервала времени между нанесением слоев огнезащиты при разном расходе наносимых растворов. При проведении измерений использовались сосновые бруски размером 7,5×6×3 см. Исследовалось 2 варианта нанесения огнезащитной композиции КМД-О-2. В 1 варианте нанесение композиции проводилось в два-четыре слоя с интервалом 60 минут при помощи кисти. Во 2 варианте нанесение композиции проводилось в два-четыре слоя с интервалом 24 часа при помощи кисти. Огнезащитная композиция наносилась на древесину с расходами: 0,0178 г/см2, 0,022 г/см2, 0,027 г/см2, 0,031 г/см2, 0,035 г/см2, 0,04 г/см2, 0,044 г/см2 и 0,049 г/см2. При расходе 0,0258 г/см2 и 0,0426 г/см2 огнезащитная композиция обеспечивает II и I группу огнезащитной эффективности соответственно.

15

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Измерение емкости накладного измерительного конденсатора, заполненного древесиной выполнялось на частотах 200 кГц, 500 кГц и 1000 кГц с помощью измерителя иммитанса Е7-20. На рисунке 1 представлены значения емкостей образцов чистой древесины, измеренных с помощью конденсатора, на частотах 200 кГц, 500 кГц и 1000 кГц.

повлияло на значение емкости, однако при расходе 0,027 г/см2наблюдался резкий скачок емкости. Диапазон значений емкости при нанесении слоев огнезащитной композиции с интервалом 60 минут изменялся от 16,478 пФ до 23,248 пФ; а при нанесении слоев с интервалом 24 часа – от 16,03 пФ до 21,31 пФ. На рисунках 3 и 4 представлены зависимости емкости древесины, обработанной огнезащитной композицией, от расхода КМД-О-2 на частотах 500 и 1000 кГц соответственно при различных способах ее нанесения.

Рисунок 1 – Значения емкости образцов чистой древесины на частотах 200 кГц, 500 кГц и 1000 кГц

Емкости на всех частотах имеют близкие значения в диапазоне от 13,57 пФ до 13,86 пФ на частоте 200 кГц, от 13,58 пФ до 13,94 пФ на частоте 500 кГц и от 13,92 пФ до 14,42 пФ на частоте 1000 кГц.

Рисунок 2 – Зависимость емкости огнезащищенной древесины от расхода огнезащитной композиции на частоте 200 кГц при нанесении слоев с интервалом 60 минут (1) и 24 часа (2)

Анализируя зависимости емкости огнезащищенной древесины при нанесении слоев огнезащиты с интервалом 60 минут и 24 часа представленные на рисунке 2 можно сказать, что при нанесении слоев огнезащитной композиции с интервалом 60 минут значения емкости резко возрастают при увеличении расхода и достигают своего максимального значения при расходе 0,027 г/см2. Далее с увеличением расхода значение емкости начинает плавно убывать, достигая минимального значения при расходе 0,04 г/см2. Затем значение емкости огнезащищенной древесины стабилизируется. При нанесении слоев огнезащитной композиции с интервалом 24 часа увеличение расхода огнезащитной композиции практически никак не

16

Рисунок 3 – Зависимость емкости огнезащищенной древесины от расхода огнезащитной композиции на частоте 500 кГц при нанесении слоев с интервалом 60 минут (1) и 24 часа (2)

Рисунок 4 – Зависимость емкости огнезащищенной древесины от расхода огнезащитной композиции на частоте 1000 кГц при нанесении слоев с интервалом 60 минут (1) и 24 часа (2)

Анализ полученных зависимостей показал, что диэлектрическая проницаемость древесины, измеренная на частотах 200 кГц и 1000 кГц при нанесении на нее слоев огнезащитной композиции с интервалом 60 минут увеличивается с ростом расхода огнезащитного состава от 0,0178 г/см2до 0,027 г/см2. Увеличение расхода огнезащитной композиции с 0,031 г/см2до 0,04 г/см2 приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости, что может указывать на качественное изменение структуры слоя древесины, обработанной огнезащитной композицией. Показано, что с увеличением частоты измерительного сигнала влияние огнезащитной обра-

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

ботки на изменение емкости накладного измерительного конденсатора, расположенного на поверхности древесины обработанной огнезащитной композиции, а, следовательно, и на изменение ее диэлектрической проницаемости уменьшается. На частоте 200 кГц емкость изменяется в интервале от 54 % до 68%, на частоте 500 кГц – от 37 % до 45 %, на частоте 1000 кГц – на 37 %. Обнаружено влияние продолжительности сушки после нанесения слоев огнезащитного состава на изменение диэлектрической проницаемости обработанной древесины. При продолжительной сушке (интервал между нанесением слоем огнезащиты 24 часа) изменения диэлектрической проницаемости при малом расходе огнезащиты меньше, а при большом ее расходе больше по сравнению с интервалом продолжительностью 60 минут. Литература 1. Корольченко, А.Я., Петрова, Е.А. Современные средства огнезащиты древесины // Рос. хим. ж. – 2003. – Т. 47. – №. 4. – С. 49–54.

2. Собурь, С.В. Огнезащита материалов и конструкций: Учебно-справочное пособие. – 5 изд., перераб. – М.: ПожКнига, 2004. – 256 с., ил. 3. Филиппович, Г.А., Кудряшов, А.Н., Яцукович, А.Г., Денисевич, А.П. Влияние огнезащитной обработки древесины на ее электрофизические параметры // Пожаровзрывобезо-пасность. 2010. – Т. 19. – №. 11. – С. 12–16. 4. Джежора, А.А. Электроемкостные преобразователи и методы их расчета / А.А.Джежора. – Минск: РУП «Издательский дом «Белорусская наука», 2008. – 305 с. 5. Науменко, А.М. Измерение диэлектрической проницаемости хлопкового и льняного волокна с помощью многосекционных накладных конденсаторов / А.М. Науменко, А.А. Джежора // Вестник Витебского государственного технологического университета. – 2011. – Вып. 20. – С. 64–71. - Библиогр.: с. 70 (3 назв.). 6. Антошин А.А., Нератова В.В., Филиппович Г.А., Яцукович А.Г. Влияние структуры обработанной огнезащитными пропитками древесины на ее диэлектрическую проницаемость // Приборостроение-2016. Материалы 9-й Международной научно-технической конференции. - Минск: БНТУ, 2016. – С. 17–19.

УДК 681 ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА КОМПОЗИТНЫХ ПОЛИМЕРОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Пантелеев К.В., Гусев О.К.,Свистун А.И., Воробей Р.И., Тявловский К.Л., Жарин И.А., Самарина А.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Введение. Зонд Кельвина традиционно применяют к электропроводящим материалам, таким как металлы и полуметаллы. Для данных групп хорошо определены носители заряда, т.е. квазисвободные электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Основной вклад в формирование потенциального рельефа проводников вносит работа выхода электрона (РВЭ) поверхности. РВЭ поверхности – это минимальная энергия, необходимая для выхода электрона поверхности материала в вакуум. РВЭ зависит от широкого ряда факторов как физико-химического, так и деформационного характера, что позволяет использовать этот фундаментальный параметр для исследований деформаций и внутренних напряжений в металле [1, 2]. В полимерных материалах проводимость по сравнению с металлами ничтожно мала, а носителями заряда являются преимущественно ионы. Зарядами могут быть также обладающие полярными свойствами носители, смещенные в пределах изолированных молекулярных или доменных структур. В общем случае суммарный заряд равен или близок к нулю, а создаваемое в окружающем пространстве электростатическое поле связано с пространственным

разнесением различных по знаку и величине зарядов в объёме и на поверхности, границах раздела. В этом случае измеряемым зондом Кельвина параметром будет являться собственный или приобретенный в результате внешних воздействий потенциал (заряд) диэлектрика, который также, как и работа выхода электрона для металлов, содержит в себе комплексную информацию, в том числе, и о напряженном состоянии в объеме диэлектрика [3]. Результаты, полученные в работе [3] на образцах из полиэтилена высокого давления (ПЭВД) показали, что отклик электростатического потенциала на внешнее механическое воздействие наблюдался только у матричного материала, в случае образцов с гибридным наполнением данный эффект отсутствовал. Целью настоящей работы является определение степени влияния отдельных наполнителей в составе матрицы ПЭВД на отклик электростатического потенциала к механическим напряжениям. Материалы и методы экспериментальных исследований. В качестве образцов экспериментальных исследований служили композиты на основе полиэтилена высокого давления (ПЭВД) марки 12203-250, производимого заводом

17

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

«Полимир» ОАО «Нафтан», наполненные углеволокном, углеродным наноматериалом (УНМ, представляет собой сильно переплетенные между собой многостенные углеродные нанотрубки диаметром 10–20 нм (95 %) и примеси металлических частиц катализатора (до 5 %), получен в ГНУ «Институт тепло- и массообмена НАН Беларуси») и наноразмерным порошком диоксида кремния средним диаметром 25 нм (получен в Институте теоретической и прикладной механики им. С.С. Христиановича СО РАН). Образцы композиционных материалов для исследований изготовлены в Гродненском филиале «Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения» ИТМО НАН Беларуси. Условные обозначения и характеристика образцов приведены в таблице 1.

(рисунок 1, б и в), в то время как образец 1 (рисунок 1, а), наполненный углеволокном, имеет относительно равномерное распределение потенциала, при этом регистрируется один точечный максимум вне области действия вакуумного прижима. Последнее может быть связано с наличием дефекта в объеме материала поверхностно слоя, участвующего в измерении.

Таблица 1 – Условные обозначения и состав образцов Условное обозначение 1 2 3

Компонентный состав ПЭВД (94 % мас.) и углеволокно (6 % мас.) ПЭВД (94 % мас.) и углеродный наноматериал (6 % мас.) ПЭВД (97 % мас.) и наночастицы диоксида кремния (3 % мас.)

В качестве средств зондового картирования параметров распределения статического потенциала использована сканирующая модификация зарядочувствительного зонда по методу КельвинаЗисмана [4], разработанного в БНТУ. Результаты и их обсуждение. Изменение электропотенциального профиля под действием внутренних механических напряжений в материале наблюдался ранее при исследовании матричных материалов (ПЭВД и вторичного ПЭВД) [3]. В этом случае механические напряжения были связаны с действием вакуумного прижима, фиксирующего образец на предметном столике экспериментальной установки. В рамках данной работы условия механического воздействия сохранились теми же. Результаты картирования распределения поверхностного электрического потенциала при действии механических напряжений приведены на рисунке 1. Статистическая обработка результатов измерений включает построение гистограмм распределения из которых определяется математическое ожидание и полуширина гистограмм распределения электрического потенциала по основной площади поверхности образца и локального максимума, соответствующего области действия вакуумного прижима. Результаты обработки сведены в таблицу 2. Из результатов картирования (рисунок 1) и статистической обработки (таблица 2) видно, что отклик электрического потенциала на механическое воздействие наблюдается у образцов 2 и 3

18

а

б

в Рисунок 1 – Карты пространственного распределения поверхностного электрического потенциала при действии внутренних механических напряжений в материале: а – ПЭВД (94 % мас.) и углеволокно (6 % мас.); б – ПЭВД (94 % мас.) и углеродный наноматериал (6 % мас.); в – ПЭВД (97 % мас.) и наночастицы диоксида кремния (3 % мас.)

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности Таблица 2 – Результаты статистической обработки Обозначение Математическое Полуширина образца ожидание гистограммы распределения ̅𝐶𝑃𝐷 , ̅𝐶𝑃𝐷 , UCPDmax, UCPDmax, 𝑈 𝑈 мВ мВ мВ мВ 1 3 16 5 1 2 12 250 3 2 3 1 265 2 6 ̅𝐶𝑃𝐷 – среднее значение потенциала, без Примечание: 𝑈 учета локализованного максимума; UCPDmax – значение экстремума

Заключение. В общем случае, механическое сжатие или растяжение приводит к изменению компактности структуры материала и, следовательно, к изменению объема, занимаемого свободными электронами, что приводит к перераспределению зарядов в область действия механических напряжений (рисунок 1, б и в). Отсутствие наблюдаемого эффекта у образца 1 (рисунок 1, а) может быть связано с рядом факторов, например, с армирующим свойством углеволокна или др.

Литература 1. Жарин, А.Л. Исследование локальных деформаций материалов методами зондовой электрометрии при различных видах нагружения / А.Л. Жарин, К.В. Пантелеев, А.И. Свистун // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сборн. научн. трудов: в 3 кн., Минск, 16–18 сентября 2015 г.; Физ. техн. ин-т НАН Беларуси; ред. кол. С. А. Астапчик (гл. ред.) [и др.]. – Минск, 2015. – Кн. 1. – С. 39–46. 2. Pantsialeyeu, K. Charge sensitive techniques in tribology studies / K. Pantsialeyeu, A. Zharin, M. Opielak, P. Rogalski // Przeglad Elektrotechniczny. – 2016. – R. 92, № 11. – P. 239 – 243. 3. Анализ распределения электрофизических и фотоэлектрических свойств нанокомпозитных полимеров модернизированным зондом Кельвина / К.В. Пантелеев, А.В. Кравцевич, И.А. Ровба, В.И. Лысенко, Р.И. Воробей, О.К. Гусев, А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т. 8, № 4. – С. 386–397. 4. Пантелеев, К.В. Построение измерителей контактной разности потенциалов / К.В. Пантелеев, В. А. Микитевич, А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2016. – Т. 7, № 1. – С. 7–15.

УДК 535-3, 535.314 ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ В РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧАХ МЕТОДОМ СТЕРЕОФОТОГРАФИИ Дудчик Ю.И. Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета Минск, Республика Беларусь Рентгеновские лучи широко используются в технической диагностике для просвечивания изделий с целью определения внутренних неоднородностей. Некоторые из известных методик позволяют получать изображения объектов с разрешением на уровне в несколько микрометров. Например, для этих целей используются проекционные рентгеновские микроскопы, состоящие из микрофокусной рентгеновской трубки и двумерной цифровой рентгеновской камеры. Метод рентгеновской микроскопии имеет свои ограничения, связанные с особенностями взаимодействия рентгеновских лучей с материалом объекта: для получения контрастного изображения объекта необходимо, чтобы его различные участи по-разному поглощали излучение. Это условие, как правило, не выполняется для материалов с небольшим порядковым номером – полимеров, пластиков, полимерных композитов, которые слабо поглощают рентгеновские лучи. Такие материалы широко используются в технике и медицине, например, из них состоят изделия, полученные методом 3-D печати. Поэтому получение изображения объектов, выполненных из материалов с малым порядковым номером, и которые слабо поглощают рентгеновские лучи, является актуальной задачей.

Изображения объектов, слабо поглощающих рентгеновское излучение, получают методом фазового контраста [1]. В таких материалах показатель преломления рентгеновского излучения, как правило, больше, чем показатель ослабления. Поэтому задача состоит в том, чтобы выделить из общего потока излучения, формирующего изображение объекта, ту часть, которая получается в результате преломления излучения на границах раздела неоднородностей объекта. Известны несколько методов практической реализация метода фазового контраста: с использованием микрофокусных рентгеновских аппаратов, с использованием квазипараллельного рентгеновского пучка, с использованием кодирующей диафрагмы. Практическая реализация указанных методов представляет определенную проблему, что связано с использованием дорогостоящих интенсивных источников излучения и прецизионных элементов для формирования рентгеновского пучка. В данной работе показано, что применение известного из оптики метода стереофотографии [2] в рентгеновском диапазоне длин волн позволяет получать относительно просто, по сравнению с методом фазового контраста, изображения

19

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

слабо поглощающих рентгеновские лучи объектов с высоким пространственным контрастом. Для получения изображения объектов использовался источник рентгеновских лучей в виде рентгеновской трубки БСВ-17 с медным анодом, рабочее напряжение на аноде трубки регулировалось от 10 до 14 кВ, анодный ток – от 4 до 10 мА. В качестве рентгеновской камеры для регистрации изображения использовалась ПЗС камера фирмы Photonic Science (модель FDI VHR). Камера содержит ПЗС-матрицу, к которой присоединена волоконно-оптическая шайба с нанесенным сцинтиллятором. Размер рабочей области рентгеновской камеры составляет 18×12 мм2, число пикселей равно 4008×2670. Размер пикселя камеры составляет 4,5 мкм. При съемке объекта использовалась функция биннинга, которая позволяет объединять несколько пикселей камеры в один. Сигнал, от выделенных пикселей суммируется. Использовалось значение биннинга, равное 2, что соответствует эффективному значению размера пикселя 9 мкм. Схема расположения источника рентгеновского излучения, камеры и объекта показана на рисунке 1.

новских лучах и стереоизображение зерна; на рисунке 4 – пчелы в рентгеновских луча и стереоизображение пчелы.

а

б

в Рисунок 2 – Изображения сетки: а – фотография сетки; б – изображение сетки в рентгеновских лучах; с – стереоизображение сетки

а б Рисунок 3 – Изображения зерна риса: а – изображение зерна риса в рентгеновских лучах; б – стереоизображение зерна риса Рисунок 1 – Схема расположения источника рентгеновского излучения, объекта и цифровой камеры для реализации метода стереофотографии: 1, 2 положения рентгеновской трубки; 3 – объект; 4 – цифровая рентгеновская камера

В исследованиях рентгеновская трубка располагалась на расстоянии 400 мм до камеры, объект – на расстоянии 20 мм до камеры. Методика получения изображения объекта состояла в следующем. В начале производилась съемка объекта в рентгеновских лучах (фотографирование) при положении трубки, указанном цифрой 1 на рисунке 1. Затем рентгеновская трубка смещалась в положение 2 на рисунке 1 и опять производилась съемка объекта. Для обработки полученных изображений методом стереофотографии использовалась компьютерная программа StereoPhoto Maker. Исходными данными для программы являются два изображения, которые получены при различных положениях источника излучения. Программа строит стереоизображение объекта. На рисунке 2 показаны объект в виде сетки из пластика (а), рентгеновское изображение сетки (б), полученное с использованием камеры Photonic Science, с- стереоизображение сетки. На рисунках 3 и 4 показаны полученные изображения: на рисунке 3 – зерна риса в рентге-

20

а

б

Рисунок 4 – Изображения пчелы: а – изображение пчелы в рентгеновских лучах; б – стереоизображение пчелы

Из рисунков 2–4 видно, что использование метода стереофотографии в рентгеновском диапазоне длин волн позволило существенно увеличить контраст изображения: на стереоизображениях объектов появляются детали, которые отсутствую в исходных изображениях. Благодарности. Автор выражает благодарность Г.И. Хилько за помощь в получении рентгеновских снимков, проф. В.Е. Асадчикову и д-ру А.В. Бузмакову из Института кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук за существенную помощь в интерпретации результатов. Литература 1. Endrizzi, M. X-ray phase-contrast imaging // Nucl. Istr. Meth. A. – 2018. – V. 878. – P. 88–98. 2. Рожков, С.Н., Овсянникова, Н.А. // Стереоскопия в кино-, фото-, видиотехнике. М. : «Парадиз», 2003. – 136 с.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 531.383 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОВРЕМЕННЫХ ТИПОВ ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Королёв М.Н. ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» Тула, Российская Федерация Цель статьи. В статье рассматриваются основные характеристики датчиков угловой скорости (ДУС), классифицированных по различным физическим принципам. Отмечены основные их достоинства и недостатки, перспективы развития, а также области их применения. В заключении приводятся характеристики ДУС, которые позволяют осуществить обоснованный выбор датчика, в зависимости от решаемой задачи. В настоящее время наиболее совершенными ДУС являются приборы, созданные на новых физических принципах (микромеханические гироскопы (ММГ), динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ), волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), лазерные гироскопы (ЛГ), твердотельные волновые гироскопы (ТВГ) и т. д.). Выходной характеристикой ДУС является напряжение или частота переменного тока, пропорциональные угловой скорости вращения. Основным показателем точности ДУС является погрешность измерения угловой скорости, которая обусловлена различными причинами (конструктивными, эксплуатационными, технологическими, температурными и др.). Микромеханические гироскопы. ММГ относятся к вибрационному классу ДУС. В ММГ энергия вынужденных первичных колебаний инерционной массы на упругом подвесе при появлении переносной угловой скорости преобразуется в энергию вторичных колебаний, которые содержат информацию об измеряемой угловой скорости [1]. Достоинства ММГ: 1. Малые массогабаритные характеристики (здесь и далее в скобках будут указаны некоторые параметры ДУС различных модификаций; модификация L3GD20H фирмы STMicroelectronics (Швейцария) имеет размеры 3×3×1 мм) [2]; 2. Низкое энергопотребление (напряжения питания большинства ММГ не превышает 5 В); 3. Высокая технологичность производства; 4. Высокая стойкость к внешним воздействиям. Недостатки ММГ: 1. Высокая погрешность измерений (до 10 0/ч); 2. Чувствительность к линейным ускорениям; 3. Использование резонансного режима работы; 4. Необходимость подключения дополнительных корректирующих устройств; 5. Низкая стабильность нуля; 6. Температурный гистерезис нуля;

7. Низкая стабильность систематического дрейфа. ММГ широко применяются в промышленности (автомобильные системы стабилизации, измерительное оборудование, системы стабилизации камер, геодезические системы, контроль рельсового пути, робототехника и др.). ММГ применяют также в качестве чувствительного элемента (ЧЭ) в индикаторных гиростабилизаторах. Для авиационных и корабельных систем рассмотренные погрешности ММГ не являются приемлемыми [3]. Динамически настраиваемые гироскопы. ДНГ – трехстепенной гироскоп с внутренним упругим кардановым подвесом. ДНГ имеет две входные оси, которые взаимно ортогональны и лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения гироскопа. Специфической особенностью ДНГ является возможность точной и стабильной компенсации угловой жесткости упругих элементов подвеса инерционным моментом кольца при отклонении ротора относительно оси приводного вала. Точная компенсация обеспечивается при выполнении так называемого условия динамической настройки [4]. Достоинства ДНГ: 1. Высокие точностные характеристики (порядка 0,01-0,1 0/ч) ; 2. Технологичность конструкции; 3. Большой ресурс работы (от 10000 часов); 4. Повышенная надежность; 5. Возможность функционирования в широком диапазоне температур (от -55 до 120 0С); 6. Малая потребляемая мощность. Недостатки ДНГ: 1. Меньшие ударостойкость и вибропрочность; 2. Вариативность вида передаточной функции ДНГ на низких частотах при изменении условий функционирования затрудняет построение контуров стабилизации прибора; 3. Низкая помехозащищенность усилительно преобразующего тракта в контурах стабилизации в результате наличия в выходном сигнале ДНГ квадратурных составляющих [5]. ДНГ широко применяют в качестве ЧЭ курсовертикалей и гиростабилизаторов различного назначения, в авиации, наземной спецтехнике, автомобилестроении, в добывающей промышленности, в инклинометрии, и др. Лазерные гироскопы. Лазерный гироскоп представляет собой оптический квантовый генератор с кольцевым резонатором. В данном

21

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

приборе носителем информации об угловой скорости является один из параметров световой волны, бегущей по замкнутому контуру. Достоинства ЛГ: 1. Низкий дрейф (до 0,1 ̎/ч); 2. Низкая чувствительность к перегрузкам; 3. Удобный выходной управляющий сигнал; 4. Малое время готовности. Недостатки ЛГ: 1. Наличие зоны нечувствительности; 2. Трудность калибровки; 3. Высокие массогабаритные характеристики (Ø 20,6×10,5 см, 4 кг – модификация ГЛ-1 производителя ОАО «РПЗ» (Россия) [6]; 4. Высокая стоимость. Но при этом ЛГ широко применяются, прежде всего, в системах навигации, на борту летательных аппаратов, для систем управления движением различных объектов и др. Волоконно-оптические гироскопы. Принцип действия ВОГ основан на эффекте, открытом Саньяком в 1913 г. при исследовании свойств многозеркального кольцевого оптического резонатора. Достоинства ВОГ: 1. Как и у ЛГ, отсутствие подвижных частей в ВОГ приводит к увеличению точностных характеристик (порядка 0,1 ˚/ч). 2. Низкие энергетические характеристики (потребляемая мощность 1–5 Вт). 3. Малые массогабаритные характеристики (81,2×81,2×20,3 см, 0,045 кг – модификация EMP-1 фирмы Emcore Corporation (США) [7]. 4. Широкий диапазон измеряемых параметров. 5. Переменная чувствительность, зависящая от длины намотки волоконного датчика. Недостатки ВОГ: 1. Ограниченный диапазон рабочих температур. 2. Нелинейность углового сигнала при малой угловой скорости. 3. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере. 4. Изменение длины оптического пути под действием теплового расширения, давления и механических деформаций. 5. Высокая стоимость. ВОГ с замкнутым контуром обратной связи наиболее широко применяют в качестве чувствительных элементов перспективных прецизионных приборов и систем навигации, ориентации и управления движением подвижных объектов, а также широко применяются в качестве ЧЭ индикаторных гироскопических стабилизаторов. Твердотельные волновые гироскопы. Принцип работы ТВГ основан на инерционном свойстве стоячей волны. Учитывая технологию производства и точностные параметры ТВГ, а также

22

большое время наработки на отказ, представляется перспективным организация производства ТВГ [8]. Достоинства ТВГ: 1. Способность переносить большие перегрузки. 2. Сохранение инерциальной информации при кратковременном отключении электропитания. 3. Низкая энергоемкость. 4. Стойкость к ионизирующему излучению с высокой энергией. Сравнительные характеристики различных типов ДУС. В заключения, в табл. 1 приведены различные ДУС, которые позволяют осуществить обоснованный выбор датчика, в зависимости от решаемой задачи. Таблица 1 – Сравнительные характеристики различных типов ДУС Параметр ММГ ДНГ ЛГ ВОГ ТВГ Время 0,2… 3… 1… 0,2… 1… готов., с 10 600 10 1 10 Случай0,5 0,02 0,001 0,005 0,05 ный … … … … … дрейф, °/ч 15 0,5 0,1 /̎ ч 3 0,5 Диапазон 100 60 90 30 110 измерения … … … … … угл. скоро- 2000 200 1000 500 300 сти, °/с Рабочий -55 -55 -55 -40 -40 диапазон … … … … … темпера+125 +120 +85 +75 +85 тур, ˚С Габариты, НизСред ВысоСред Сред масса кие ние кие ние ние

Как отмечалось выше, ММГ обладают низкой точностью по сравнению с ВОГ и ДНГ и требуют специализированного оборудования. ВОГ обладают высокой точностью, но организация их производства требует специализированного высокоточного оборудования. Следовательно, организация производства ММГ, ВОГ и ДНГ при отсутствии соответствующей базы специализированного оборудования нецелесообразна. Литература 1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. – М.: Машиностроение, 2007. – 400 с. 2. Техническая документация на L3GD20H [Электронный ресурс] URL: https://www.st.com. 3. Муслимов В.М., Ротц Ю.А., Астафьев С.А., Амвросьева А.В. Расчет надежности упругих элементов микромеханических гироскопов: учебное пособие. – СПб. : НИУ ИТМО, 2012. – 127 с. 4. Матвеев В.А., Подчезерцев В.П., Фатеев В.В. Гироскопические стабилизаторы на динамически настраиваемых вибрационных гироскопах: уч. пособие по курсу «Теория гироскопов и гиростабилизаторов». – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 103 с. 5. Малютин Д.М. Система стабилизации полезной нагрузки на динамически настраиваемом гироскопе / Д.М. Малютин // «Приборы и методы измерений», 2016. – Т. 7, № 1. – С. 32–40.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 6. Техническая документация ГЛ-1 [Электронный ресурс]. URL: http://www.rpkb.ru. 7. Техническая документация на ЕMP-1 [Электронный ресурс] URL: https://pdf1.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/view/555103/EMCORE/ EMP-1.html.

8. Волчихин И.А., Волчихин А.И., Малютин Д.М., Матвеев В.В., Распопов В.Я., Телухин С.В., Шведов А.П. Волновые твердотельные гироскопы (аналитический обзор) // Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. – Вып. 9. Ч. 2. С. 59–78.

УДК 621.3.049.77: 681.586 АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ Здоровцев С.В., Кушнеров Д.П., Сушко В.А. ОАО «МНИПИ» Минск, Республика Беларусь В работе представлены результаты разработки и исследования аппаратно-программного комплекса (АПК), предназначенного для выполнения физико-химического экспресс анализа в лабораторных условиях, проведения демонстрационных экспериментов при проведении лабораторных практикумов по химии. В основу работы АПК положен принцип функционирования информационно-измерительной системы (ИИС) на базе цифровых функциональных электронных модулей (ФЭМ) [1]. В качестве регистратора данных использован персональный компьютер (ПК), к которому по USBпорту подключаются соответствующие ФЭМ (рисунок 1).

– расширение числа функций, реализуемых в АПК. Исследования были проведены для АПК, функционирующего в режимах измерения температуры жидкостей и паров, электропроводности растворов, объема газа с контролем температуры, оптической плотности растворов. В качестве регистратора даны в АПК применен ПК на платформе Microsoft Windows 10 PRO c объемом ОЗУ 2 Гбайт, разрешением экрана монитора не менее 1024×768 пикселей, с портом USB. Для измерения температуры жидкостей и паров используется ФЭМ контроля температуры, в котором в качестве сенсора температуры применена хромель-алюмелевая термопара ТХА (К) 1199/51. Диапазон контроля температуры от -20 до +1100 оС разбит на три поддиапазона: от -20 до +100 оС; от 0 до +400 оС; от 0 до +1100 оС. На рисунке 2 представлен фрагмент информационного окна ПК в режиме измерения температуры.

Рисунок 1 – АПК для химических лабораторий

Модульное построение АПК обеспечивает ряд преимуществ при выполнении процесса измерения, регистрации, обработки экспериментальных данных [2]: – возможность модернизации и развития прикладного и системного программного обеспечения; – обеспечение независимости метрологических характеристик каналов измерения от внешних каналов обмена информацией; – организация сетевого протокола обмена данными по каналам обмена информацией; – сокращение числа каналов передачи аналоговой информации в пользу цифровых каналов, обеспечивающее снижение чувствительности систем к внешним помехам; – гибкое наращение аппаратных средств, а также возможность модернизации аппаратных модулей и их замены более совершенными устройствами;

Рисунок 2 – Информационное окно ПК в режиме измерения температуры

Для измерения удельной электрической проводимости растворов используется ФЭМ, принцип работы которого основан на измерении сопротивления раствора, находящегося под действием приложенного к нему переменного напряжения. ФЭМ обеспечивает контроль электропроводности растворов в диапазоне от 0 до 5 мСм/кв.см. На рисунке 3 представлен фрагмент информационного окна ПК в режиме измерения электропроводности растворов.

23

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Для измерения величины объема газа, выделяющегося при проведении химических реакций, используется ФЭМ, принцип работы которого основан на измерении дифференциального давления и температуры газа с последующим пересчетом дифференциального давления в объем выделившегося газа. ФЭМ обеспечивает контроль объема газа в диапазоне от 0,001 дм3 до 2 дм3 с одновременным контролем температуры.

печение дает возможность обеспечивать математическую обработку полученных данных и их отображение на экране ПК в виде гистограмм, графиков, таблиц. Предложенные технические решения дают возможность повысить точность и наглядность выполнения естественнонаучных экспериментов, предоставляют дополнительные возможности по автоматической обработке данных и анализу полученных результатов.

Рисунок 3 – Информационное окно ПК в режиме измерения электропроводности

Рисунок 5 – Информационное окно ПК в режиме измерения оптической плотности растворов

На рисунке 4 представлен фрагмент информационного окна ПК в режиме измерения объема газа с контролем температуры.

В настоящее время рассмотренный АПК уже внедрен в учебный процесс в учреждениях образования Республики Беларусь. На его базе разработаны методические материалы для выполнения лабораторных практикумов по химии [3, 4]. Созданный АПК может также найти применение в химических и аналитических лабораториях НИИ, ВУЗов, промпредприятий при выполнении экспериментальных исследований и учебных опытов, при проведении физико-химического экспресс анализа различных веществ и компонентов. Литература

Рисунок 4 – Информационное окно ПК в режиме измерения объема газа с контролем температуры

Для измерения интенсивности окраски растворов используется ФЭМ оптической плотности растворов, фиксирующий интенсивность поглощения света в растворе на длинах волн 525 нм (зеленый), 590 нм (желтый) в единицах оптической плотности. На рисунке 5 представлен фрагмент информационного окна ПК в режиме измерения оптической плотности растворов. АПК позволяет, практически без затрат времени на предварительную подготовку решать комплексные измерительные задачи при выполнении химических экспериментов в лабораторных условиях. Оригинальное программное обес-

24

1. Здоровцев С.В., Кушнеров Д.П., Сушко В.А. Информационно-измерительная система на базе цифровых функциональных электронных модулей // Материалы 11-й Международной научно-технической конференции «Приборостроение – 2018» г. Минск 14–16 ноября 2018 г. – Минск: БНТУ 2018. – С. 17–19. 2. Пьявченко О.Н., Панин А.Е., Мокров А.Е. Принципы построения и архитектура перспективных информационно-измерительных систем мониторинга, диагностики и управления на базе интеллектуальных датчиков // http://www.microsystems.ru/files/publ/492.htm 3. Берестнев А.С., Мычко Д.И. Возможности использования программно-аппаратного комплекса с комплектом датчиков для повышения эффективности процесса обучения химии в учреждениях общего среднего образования Республики Беларусь // Бiялогiя i хiмiя. – № 9 2018. – С. 28–40. 4. Берестнев А.С., Мычко Д.И. Методические рекомендации по организации демонстрационного эксперимента на учебных занятиях по химии с использованием датчика электропроводности // Бiялогiя i хiмiя. – № 1. – 2019. – С. 17–28.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 681.51 МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ НЕЙТРОННО-ШУМОВОГО КОНТРОЛЯ КИПЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТОРОВ ВВЭР Иванов В.И., Иванов Н.И. Научно исследовательское учреждение «Институт ядерных проблем» БГУ Минск, Республика Беларусь В системе обеспечения безопасности эксплуатации водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) АЭС одной из важнейших задач является контроль кипения теплоносителя (ТН) во внутриреакторной зоне [1–3]. Экспериментальный контроль времени и мест возникновения кипения ТН по высоте тепловыделяющих сборок (ТВС) позволяет уточнять реальные условия теплосъема в конкретной активной зоне, предотвращать возникновение теплогидравлических кризисов и преждевременных разрушений, существенно точнее определять проектные пределы более напряженных активных зон реактора. Штатные системы нейтронно-шумового контроля [2, 3] основаны на выявлении локальных уменьшений плотности ТН из-за появления паровой составляющей в зонах кипения по распределениям интенсивности «быстрой» шумовой составляющей ̃𝑁.𝑖 = 𝑓(𝐻) по высоте ТВС. нейтронного потока 𝑈 Это обеспечивается для каждой ТВС 7-ми элементными линейками родиевых детекторов прямой зарядки (ДПЗ). Существенные сложности в нейтронно-шумовой диагностике начальных стадий локального поверхностного кипения ТН во внутриреакторной зоне ВВЭР заключаются в том, что флуктуации плотности ТН обусловлены не только вариациями плотности из-за локальных изменений паросодержания в зонах поверхностного кипения на ТВС, но и за счет флуктуаций плотности ТН, обусловленных рядом технологических факторов, таких как: вращения лопаток главных циркуляционных насосов, различной температуры петель и холодных ниток первого контура, неоднородности перемешивания ТН в нижней камере смешения, гидроакустических волн, примесей. При этом эффект переноса технологических флуктуаций плотности ТН по высоте ТВС приводит к сложению сигналов со сдвигом фаз, как обусловленных технологических флуктуаций плотности, так и обусловленных поверхностным кипением. Применяемый в [2, 3] принцип получения распределений интенсивности флуктуаций плот̃𝑁.𝑖 = ности нейтронного потока по высоте ТВС 𝑈 𝑓(𝐻) путем одновременного непрерывного измерения сигналов всех ДПЗ, распределенных по высоте ТВС вдоль движущегоcя со скоростью W потока ТН, приводит к эффекту свертки флуктуаций плотности ТН различной природы, что затрудняет обнаруживать с высокой достоверностью локальное поверхностное кипение ТН на ранних стадиях.

Суть предложенного нами метода заключается в получении однократных распределений интенсивности шумовой составляющей нейтронного ̃𝑁.𝑖 = 𝑓(𝐻) на малых парпотока по высоте ТВС 𝑈 циальных объемах ТН, характеризующихся квазистабильной технологической плотностью в пределах времени получения однократного рас̃𝑁.𝑖 = 𝑓(𝐻). Это обеспечивается пупределения 𝑈 тем последовательной развертывающей выборки и измерения переменной (шумовой) составляющей сигналов всех 𝑛 = 7 детекторов линейки, синхронизированной со скоростью ТН 𝑊 вдоль ТВС. Временная диаграмма метода развертывающей выборки (МВР) детекторов нейтронов по высоте ТВС приведена на рисунке 1, где каждый из сигналов 1с ÷ 7с определяет моменты выборки сигналов соответствующих детекторов нейтронов ДПЗ1÷ ДПЗ7.

Рисунок 1 – Временная диаграмма МРВ детекторов нейтронов

Каждый цикл измерения однократной реали̃𝑁.𝑖 = 𝑓(𝐻) начинают с детектора нижней зации 𝑈 зоны ТВС (1с, ДПЗ1) и завершают детектором верхней зоны (7с, ДПЗ7). На каждом цикле Т𝑖 ̃𝑁.𝑖 = 𝑓(𝐻) осуществполучение распределений 𝑈 ляется путем измерения шумовой составляющей сигналов детекторов в дискретные моменты времени 𝑡𝑖 , которые определяются для каждого i-того детектора нейтронов в линейке из соотношения: 𝑡𝑖 = (𝑖 − 1) × (𝐻 ⁄𝑛 𝑊 ),

(1)

где 𝑖 – позиционный номер детектора в линейке; 𝐻 – высота (длина) ТВС; 𝑛 – количество детекторов по высоте ТВС; 𝑊 – скорость теплоносителя в ТВС. Частота развертывающей выборки детекторов: 𝑊 𝐹0 = 1⁄𝑇 ≅ 𝑛 ; (2) 𝐻 0 длительность выборки сигналов детекторов 𝜏 ≤ 𝐻/𝑛 𝑊 .

(3)

25

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Реализации МРВ требует обеспечения соответствия частоты развертывающей выборки 𝐹0 значениям скорости 𝑊 потока ТН в реакторе. Длительность полного однократного цикла ̃𝑁.𝑖 = 𝑓(𝐻) 𝑇𝑖 опредеполучения распределений 𝑈 ляется уравнением: 𝑇 ≅ 𝐻/𝑊

(4)

При определении временных параметров развертывающей выборки зададимся возможными абсолютными отклонениями реальной скорости потока ТН в реакторе ±∆𝑊. В этой связи справедливы уравнения для длительностей циклов развертки с учетом ±∆𝑊: 𝐻

𝑇1 =

𝑊+∆𝑊

𝑇2 =

𝑊−∆𝑊

𝐻

,

(5)

.

(6)

Потребуем, чтобы разность длительностей: 𝑇 − 𝑇1 ≤ 𝜏𝑘 ,

(7)

𝑇2 − 𝑇 ≤ 𝜏𝑘 ,

(8)

со слабокоррелированной функцией плотности, подчиняющейся распределению Гаусса с различной дисперсией и временем корреляции плотности в пределах 𝜏𝑘 = 0,05 ÷ 3с при следующих параметрах:  скорость ТН W = 4,5 м/c;  высота обогреваемой зоны ТВС H=3,5 м;  число ДПЗ в линейке n = 7.

Рисунок 2 – График зависимости +𝜀𝑊 = 𝑓(𝜏𝑘 )

где 𝜏𝑘 – временной интервал корреляции плотности входного потока ТН. С учетом уравнений (5) и (6) можно записать: 𝐻 𝑊

−

𝐻 𝑊+∆𝑊

𝐻 𝑊−∆𝑊

−

𝐻 𝑊

≤ 𝜏𝑘 ,

(9)

≤ 𝜏𝑘 .

(10)

Из уравнений (9) и (10) получены выражения для определения допустимых значений флуктуаций скорости ТН ±∆𝑊 для обеспечения синхронизации развертывающих преобразований в зависимости от интервала корреляции плотности ТН 𝜏𝑘 . −∆𝑊 ≤ +∆𝑊 ≤

τk W2

H+τk W

,

𝜏𝑘 𝑊 2 𝐻−𝜏𝑘 𝑊

(11) (12)

и относительных значений флуктуаций +𝜀𝑊 = ∆𝑊 ⁄𝑊 и −𝜀𝑤 = −∆𝑊 ⁄𝑊 . Графики зависимостей +𝜀𝑊 = 𝑓(𝜏𝑘 ) и −𝜀𝑤 = 𝑓(𝜏𝑘 ) представлены на рисунках 2, 3. Данные графики показывают, что требования к точности синхронизации выборки детекторов нейтронов возрастают с уменьшением интервала корреляции флуктуаций технологической плотности ТН и позволяют определять границы возможных допусков флуктуаций скорости ТН в реакторе для задания временных параметров развертывающих преобразований МРВ. Сравнение обнаружительной способности начальных стадий поверхностного кипения методами [2, 3] и МРВ проводилось методом численного моделирования на основе модели потока ТН

26

Рисунок 3 – График зависимости −𝜀𝑊 = 𝑓(𝜏𝑘 )

Результаты численного моделирования свидетельствуют о том, что сравниваемые методы имеют примерно одинаковую обнаружительную способность только при относительно больших интервалах корреляции технологической плотности ТН, а именно при 𝜏𝑘 ≥ 0,8с. При 𝜏𝑘 < 0,8 с эффективность обнаружения начальных стадий поверхностного кипения МРВ монотонно увеличивается с уменьшением времени корреляции и увеличением дисперсии флуктуаций технологической плотности ТН. Так, напри𝐻 мер, при 𝜏𝑘 = 𝑊 ≈ 0,11 с повышение чувстви𝑛 тельности обнаружения поверхностного кипения ТН возрастает в 4–5 раз. Повышение чувствительности МРВ достигается путем минимизации влияния технологических флуктуаций плотности ТН на оценку флуктуаций шумовой составляющей нейтронного потока, обусловленных изменениями плотности теплоносителя из-за появления паровой составляющей в зоне локального кипения по высоте ТВС. Литература 1. Безопасность ядерных энергетических установок / О.Б. Самойлов, Г.Б. Усынин, А.М. Бахметьев. – М.: Энергоиздат, 1989 – 280 с.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 2. Семченков Ю.М., Мильто В.А., Шумский Б.Е. Внедрение методики контроля кипения теплоносителя в активной зоне ВВЭР – 1000 в систему внутриреакторной шумовой диагностики // Атомная энергия. –2008. – Т. 105, вып. 2. – С. 79–82.

3. Калинушкин А.Е., Семченков Ю.М. Современная система контроля, управления и диагностики реакторов ВВЭР большой мощности // Доклады БГУИР. – 2015. – № 2(88). – С. 81–85.

УДК 54.087:681.2.082 ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСОРНОГО ОТКЛИКА ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЕНСОРОВ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ Реутская О.Г.1, Таратын И.А.2 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь 2 ОАО «Минский НИИ радиоматериалов» Минск, Республика Беларусь

1

Определение количественного и качественно состава окружающей среды в реальных условиях проводят по средствам различных датчиков и систем. Химические сенсоры являются одними из наиболее оптимальных устройств в соотношении цены и качества. В качестве газочувствительных слоев в таких сенсорах используют каталитические и полупроводниковые соединения. Для снижения энергопотребления при сохранении высокого уровня чувствительности применяют полупроводниковые слои, полученные по золь-гель технологии, которые позволяют достигать качественный результат, а также стабильное и долговременное определение газового состава анализируемой среды [1, 2]. Выбор состава газочувствительного слоя обеспечивает уровень сенсорного отклика к определяемому газу. Это связано с процессами сорбциидесорбции, проходящими на поверхности и внутри самого слоя. Общепринятая схема подключения сенсорного устройства включает нагреватель и пару информационных электродов, на поверхности которых размещается детектирующий слой. Сигнал определяется величиной изменяющегося напряжения или электросопротивления между электродами [1]. В данной работе представлен полупроводниковый газовый сенсор, выполненный на кремниевой подложке. На поверхности подложки были сформированы нагреватель и информационные электроды. Размещена вся топология на одной стороне кристалла на поверхности мембраны, толщиной 100–120 мкм (рисунок 1). Газочувствительный слой сформирован на поверхности встречно-штыревой системы. В состав него входит композиция полупроводниковых материалов In2O3+SnO2. Выбор такого состава обусловлен высокой реакционной способностью при воздействии горючих и токсичных газов. Особенностью такого сенсора является то, что газочувствительный слой одновременно является нагревателем и газоаналитическим слоем в схеме

подключения устройства. Вольтамперные характеристики сенсора представлены на рисунке 2.

Рисунок 1 – Фотографическое изображение сенсора на кремниевой подложке

Рисунок 2 – Вольтамперные характеристики сенсора на кремниевой подложке

Как показано на рисунке 2 измерение вольтамперных характеристик проводилось до длительного отжига и после него. Время отжига составило 48 часов. В результате данного процесса наблюдается уменьшение потребляемой мощности и стабилизация характеристик сенсора. Длительные термоэлектрические отжиги позволяют уменьшить временной «дрейф» сигнала сенсорного устройства, а также проводить измерения сенсорного отклика при мощности потребления от 1 мкВт до 500 мВт.

27

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Предложенный сенсор был исследован на воздействие низких концентраций моноокcида углерода (СO) и пропана (C3H8). Для определения величины сенсорного отклика проведено измерение выходного сигнала во всем рабочем диапазоне сенсора. При измерении пропана было учтено, что для получения сигнала температура нагревательного элемента не должна быть ниже 350– 400 оС. Результаты измерения зависимости напряжения от времени при воздействии СO и C3H8 представлены на рисунках 3 и 4 соответственно. Потребляемая мощность при этом составляет 300 мВт.

(рисунок 5). При определении метана насыщение газочувствительного слоя составляет не более 10 с. При этом время реакции наступает менее, чем через 1 с (рисунок 6). Следует отметить, что определение пропана является одной из актуальных проблем современного контроля газового состава бытовых и производственных помещений. Поэтому выбор режимов и схем подключения, предложенных в работе, позволит проводить обнаружение данного газа в анализируемой среде.

Рисунок 5 – Сенсорный отклик при воздействии СО с концентрацией 0,02 % об. Рисунок 3 – Зависимость изменения напряжения от времени при воздействии СО с концентрацией 0,02 % об.

Рисунок 6 – Сенсорный отклик при воздействии C3H8 с концентрацией 0,015 % об. Рисунок 4 – Зависимость изменения напряжения от времени при воздействии C3H8 с концентрацией 0,015 % об.

При измерениях сигнала сенсоров наблюдается падение напряжения при воздействии газов. Время восстановления сигнала после воздействия газа в среднем составляет 30 с. Следует отметить, что такое время возврата обеспечивается стабильным состоянием поверхности сенсора. Когда мощность потребления достигла 350 мВт при измерении пропана наблюдалась каталитическая реакция на поверхности газочувствительного слоя. Значения сенсорного отклика при измерениях представлены на рисунках 5 и 6. Измерение СО при исследуемых режимах показывает более высокий сенсорный отклик по отношению к C3H8. Время насыщения сенсора не превышает 5 с. Следовательно, потребляемую мощность для устройства при измерении можно уменьшить, что существенно не отразиться на сенсорном сигнале

28

Различные схемы подключения элементов сенсоров позволяют моделировать величину выходного сигнала. Выбор режимов измерения приводит к достижению избирательности сенсорного сигнала к детектируемому газу или нескольких газовых компонент. Предложенные сенсоры на кремниевых подложках обеспечивают непрерывный контроль окружающей среды при сниженном энергопотреблении. Литература 1. Реутская, О.Г. Измерения концентрации газов СО и NO2 мультисенсорной микросистемой в режиме импульсного нагрева / О.Г. Реутская, Ю.М. Плескачевский // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т.8, № 2. – С. 160–167. 2. Реутская, О. Г. Полупроводниковые сенсорные устройства на кремниевых подложках / О. Г. Реутская, Ю. М. Плескачевский, И. А. Таратын // Приборостроение-2018, 14-16 ноября 2018 года, Минск, Республика Беларусь / редкол.: О. К. Гусев (председатель) [и др.]. – Минск : БНТУ, 2018. – С. 69–70.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 621.382 МЕТОД КОНТРОЛЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ИЗ ИЗМЕРЕНИЙ ФОТОТОКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР Сопряков В.И., Полещук П.А. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Контроль дефектно-примесного состава и электрофизических параметров полупроводниковых материалов является одним из важнейших направлений научных исследований в области полупроводниковой электроники. Время жизни неосновных носителей заряда () - один из основных параметров материала, определяющий характеристики полупроводниковых приборов. Измерение  позволяет контролировать присутствие малых примесных концентраций и структурных дефектов в полупроводниковых материалах, поэтому определение  является весьма важным для технологии активных элементов полупроводниковой электроники. Для оценки совершенства и быстродействия полупроводниковых структур существуют две группы методов. Первые основаны на изучении релаксации проводимости и заключаются в измерении времени или заряда переключения полупроводникового диода, однако измеряемые величины не могут быть однозначно связаны с . Вторая группа методов заключается в измерении стационарного . Измерение обратного тока насыщения позволяет рассчитать  в базовой области диода, однако неопределенность свойств поверхности и наличие утечек не позволяют широко использовать этот метод. Известен метод определения диффузионной длины (L) неосновных носителей заряда (ННЗ) и  из измерений фототока р-n перехода. Фототок в резком асимметричном р+-n переходе определяется диффузией дырок к переходу. Тогда если Lр много меньше толщины базы и много больше ширины (h) области пространственного заряда (ОПЗ), фототок короткого замыкания I кз  eGSL,

(1)

где G – скорость генерации электроннодырочных пар, однородная по объему, S – площадь перехода, е – заряд электрона. Отсюда, на основании соотношения Эйнштейна

 p  L / Dp , 2 p

(2)

где Dp – коэффициент диффузии дырок. Использование выражения (1) возможно только при условии L >> h, а также при известном значении G. Другие методы, основанные на измерении фототока, трудоемки, так как требуют проведения дополнительных измерений для определения скоростей объемной или поверхностной генерации

носителей, коэффициента поглощения света или изготовления образцов с полупрозрачным электродом. При использовании оптических методов на величину L и  существенно влияет скорость поверхностной рекомбинации, которая зависит от способа обработки поверхности и условий генерации носителей (способ возбуждения, интенсивность, спектральный состав). В настоящей работе предлагается метод, свободный от указанных недостатков и основанный на измерении зависимостей фототока и емкости р+-n- перехода от обратного смещения. Рассмотрим р+-n переход, в котором ширина ОПЗ сравнима с диффузионной длиной ННЗ, что характерно для кремниевых структур с концентрацией мелких примесей в диапазоне 1015…1016 см-3 широко применяемых в технологии. Положим также, что скорость генерации электронно-дырочных пар при фотовозбуждении равномерна по объему, а электрическое поле в ОПЗ при приложенных обратных напряжениях (U) слабое, так что дрейф и умножение носителей заряда можно не учитывать. Тогда фотогенерация носителей будет происходить как в объеме базовой области, так и в ОПЗ, однако зависимость плотности фототока (j) от обратного смещения будет определяться только шириной ОПЗ h(U) j (U )  eG[ L p  h(U )].

(3)

В случае резкого р+-n перехода h(U )  [ A(U  U k )]1 / 2 ,

(4)

где A   0 / 2eN d , Nd - концентрация мелких доноров в базовой области, определяемая из вольт-фарадной характеристики (ВФХ), Uk - контактная разность потенциалов. Продифференцировав выражение (3) по напряжению, можно получить зависимость (dj / dU ) 2  (2 / eAG) 2 (U  U k ),

(5)

которая представляет прямую линию с напряжением отсечки, равным Uk. Из наклона этой прямой (dj / dU ) 2 / U  K можно определить скорость генерации G  2 / eA K ).

(6)

Тогда на основании соотношения Эйнштейна (2) из (3), (6) следует

29

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

 p  ( A2 / D p )[0,5 K j (U )  U  U k ]2 . (7) Для расчета р из (7) значение фототока j(U) следует брать в средней точке диапазона обратных смещений. Так как в переходах, полученных методом диффузии концентрация ионизированных примесей зависит от координаты, то для вычисления видоизмененных параметров U k* (напряжение отсечки ВФХ), А* и К* использовались линейные участки ВФХ C 2  f (U ) и зависимости (5), расположенные в области высоких напряжений. При вычислении р значение j(U) необходимо также брать в средней точке линейного участка зависимости (5). Измерения проводились при нормальной температуре на постоянном токе при освещении образца со сколотыми боковыми гранями вдоль плоскости р-n перехода лампой накаливания через сферическое зеркало. Фототок определялся путем вычитания темнового тока из полного. Длина поглощения собственного света, рассчитанная из данных измерения фототока, составила 0,6 см, что при площади образцов 0,04 см 2 обеспечивало условие однородной генерации. Барьерная емкость перехода (С) измерялась на частоте 1 МГц прибором Е7-12. Предложенным методом были исследованы четыре серии кремниевых р+-n структур с концентрацией фосфора в диапазоне (3…5)1015 см-3 : 1, 2 изготовленные ионным внедрением бора (2 облученные электронами); 3, 4 – изготовленные диффузией бора (4 – с примесью золота). Результаты измерений представлены на рисунках 1 и 2, где номера кривых соответствуют номерам серий *

образцов. Как видно, напряжения отсечки U k на ВФХ и зависимостях фототока совпадают, что

подтверждает результаты теоретического анализа. Значения р для различных серий составляют: 1 – 100 нс (ионное легирование), 2 – 13 нс (облученные электронами); 3–320 нс (диффузия), 4–45 нс (с примесью золота). Как видно, метод дает результаты, хорошо коррелирующие с технологией изготовления и дефектно-примесным составом, что может быть использовано для контроля их влияния. 2

4 5 15 см   10 , 2 Ф C 

60 50 40 30 20 10 -4

0

4

8

12

16

U , ( B)

Рисунок 1 2

2 4  dj  7 В см   10 , A2  dU 

10

1

8 3

6

2 4

4 2 0

4

8

12

16

U , ( B)

Рисунок 2

УДК 543.645:57.033 ИССЛЕДОВАНИЕ ЕМКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОАНАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОДНЫХ БИОСЕНСОРНЫХ УСТРОЙСТВ Плескачевский Ю.М.1, Реутская О.Г.1, Люцко К.М.1, Песнякевич А.Г.2, Таратын И.А.3 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь 2 Белорусский государственный университет Минск, Республика Беларусь 3 ОАО «Минский НИИ радиоматериалов» Минск, Республика Беларусь

1

Передача сигнала и общие характеристики биоанализаторов часто определяются топологией и составом иммобилизующей поверхности, которая выполняет функцию контакта между чувствительным элементом и биологическим образцом. Наиболее распространенные методы модифика-

30

ции поверхности, различные механизмы электрохимического взаимодействия и выбор молекул рецептора распознавания влияют на предельную чувствительность датчика в целом. Существуют различные методы электрохимического обнаружения биоорганизмов. При измерении электриче-

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

ских свойств для извлечения информации из биологических биоанализаторов обычно имеет место электрохимический характер. В этом случае биоэлектрохимический компонент служит основным элементом преобразовании выходного сигнала. Для биосенсоров, которые используют систему на основе встречно-штыревых электродов, применяют два наиболее распространенных метода определения выходного сигнала: резистивный и емкостной. Выбор метода определяется типом чувствительно-распознающего слоя [1]. Резистивный метод основан на изменении сопротивления в результате взаимодействия молекул микроорганизмов с рецепторами, расположенными на поверхности электродов [2]. В основе емкостного метода лежит фиксирование изменения диэлектрической проницаемости встречно-штыревого конденсатора. Биоанализатор определяет сигнал, когда толщина диэлектрического слоя увеличивается в результате гибридизации на границе раздела электродов. Затем емкость уменьшается [1]. В результате проведенного анализа существующих конструкций биоанализаторов была предложена конструкция сенсора на основе электродных биосенсорных устройств [2]. Основой измерительной поверхности является матрица из 18-ти электродов шириной 7 мкм каждый. Расстояние между электродами составило 10 мкм. Выбранные размеры элементов конструкции обусловлены размерами анализируемых микроорганизмов. К электродам был подключен измеритель иммитанса для фиксации поступающего сигнала. На поверхность биоанализатора наносилась капля содержащая биоорганизмы типа эукариоты - дрожжевые культуры - Hansenula sp. и Saccharomyces cerevisiae (рисунок 1). Размер капли составил 0,5-1 мкл. Формирование проводилось с помощью микрошприца. Была проведена серия из трех экспериментов для каждой из анализируемых биокультур. Значения концентрации клеток в биологическом растворе в зависимости от эксперимента представлены в таблице 1. Таблица 1 – Концентрация числа клеток в биорастворе Номер Наименование Концентрация эксперимента культуры клеток 1

Hansenula sp. Saccharomyces cerevisiae

5,14·107

6,10·107

2

Hansenula sp. Saccharomyces cerevisiae

1,50·107

3

Hansenula sp. Saccharomyces cerevisiae

3,92·107

9,20·106

2,05·106

Расположение клеток между электродами связано с их размером, который в два раза меньше

расстояния между электродами. Но дрожжи образуют пленку, обладающую своим определенным сигналом. Кроме эукариотов было проведено исследование выходных сигналов, предложенных биоанализаторов для грамположительных бактерий Bacillus megatherium (рисунок 3, а) и грамотрицательных бактерий Escherichia coli B (рисунок 3, б).

Рисунок 1 – Пленка с клетками культуры дрожжей на поверхности электродов биоанализатора

а

б Рисунок 2 – Фотографическое изображение биоструктуры: а – в жидком растворе; б – после высыхания жидкости на поверхности биоанализатора

Для определения выходных характеристик был выбран способ определения емкости (рисунок 3, а и б). После формирования биоматериала на поверхность информационных электродов подавалось напряжение, создаваемое измерителем иммитанса. В результате образуется «запирающий» слой с комплексом клеток. Данный процесс сопровождается переносом электронов. При высыхании питательной среды на поверхности устройства протекают окислительновосстановительные реакции, которые замедляются и вызывают уменьшение значения емкости [2]. Важным фактором является также поверхность иммобилизации.

31

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

а

В результате проведенной серии экспериментов определено время формирования «пленки» с микроорганизмами в зависимости от выбранного биоматериала. Установлено, что питательная среда для клеток микроорганизмов после высыхания на поверхности биоанализатора не оказывает существенного влияние на значение емкости устройства. Проведены исследования выходных характеристик биоанализаторов. Разработана методика обработки поверхности устройств, позволяющая проводить измерение выходного сигнала на одном модуле несколько раз. Работа выполнялась в рамках Государственной программы научных исследований «Конвергенция-2020», подпрограммы «Объединение». Литература

б Рисунок 3 – Зависимость емкости от времени измерения для образцов Bacillus megatherium (а) и Escherichia coli B (б) с разной степенью разбавления:1 – исходная культура, 2 – культура разведена в 100 раз, 3 – культура разведена в 10000 раз

1. Grieshaber D. Electrochemical biosensor – sensor principles and architectures / D. Grieshaber [et al.] // Sensors. – 2008. – Vol. 8. – P. 1400-1458. 2. Реутская О.Г. Конструкции биосенсоров на основе матриц иммобилизирующих слоев / О.Г. Реутская // Материалы 15-ой Международная научно-техническая конференция «Наука – образованию, производству, экономике». Минск, БНТУ, 2018: в 4 т. Т.3. C.387.

УДК 621.384.3 ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКЛ-ВИБРОМЕТРИИ Иванов В.И., Иванов Н.И. Научно-исследовательское учреждение «Институт ядерных проблем» БГУ Минск, Республика Беларусь Интерференционная картина (спекл–поле) [1, 2] лазерного излучения на шероховатой поверхности обусловлена фазовыми соотношений интерферирующих волн, которые в свою очередь весьма чувствительны к параметрам вибраций данных поверхностей. При дистанционных измерениях, когда ℓ1/ℓ2 ≫1 (ℓ1 – расстояние от поверхности объекта до фотодетектора; ℓ2 – расстояние от фотодетектора до плоскости изображения приемной оптической системы) и малости угла приема сигналов динамику спеклов определяет лишь нормальное к поверхности смещение. Проведенный анализ показал, что с ростом амплитуды вибраций постоянная составляющая спектра отраженного сигнала Gm (m=0) монотонно уменьшается, оставаясь всегда больше остальных компонент. Компоненты гармоник спектра с m ≠ 0 при отсутствии колебаний поверхности равны нулю. Без ограничения общности в предположении, что вектор градиента ∇f(0) виброколебаний поверхности лежит в одной из координатных плоскостей, получено выражение для оценки нормированного среднего квадрата модуля амплитуды Gm, которая характеризует относительную долю мощности, сосредоточенную в m – той гармонике

32

спектра отраженного лазерного сигнала при одномодовом характере виброколебаний с частотой акустической моды Wo 2

∞

𝑥2

Gm = ∫0 𝑒 − 2 Jm (Vx) dx, 𝜋

(1)

где Jm (Vx) – функция Бесселя первого рода; V = 2kρoAo – амплитуда вибраций; k = 2π⁄𝜆 – волновое число; 𝜌0 – параметр, характеризующий линейное разрешение приемной оптики; Ао = |(∇f(0)| – амплитуда угловых колебаний вектора нормали к поверхности в точке наблюдения. По мере увеличения амплитуды виброколебаний эти компоненты сначала возрастают до некоторого максимального значения, а затем начинают монотонно уменьшаться, при этом компоненты более низкого порядка остаются всегда больше компоненты более высокого порядка. Когда амплитуда колебаний поверхности достаточно мала γ ≤ 1 в спектре кроме постоянной составляющей присутствует лишь одна компонента с частотой равной частоте акустических колебаний w0, т. е. временная зависимость интенсивности сигнала в плоскости изображения приемной оптики описывается синусоидой с частотой w0. С возрастанием амплитуды колебания в спектре принимаемого

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

сигнала появляются гармоники основной частоты все более высокого порядка, а разброс амплитуд гармоник различных порядков уменьшается, хотя форма спектра сохраняет монотонный спадающий характер. Если γ ≲ 1, то смещение спекл-структуры поля оказывается меньше характерного размера спеклов, поэтому интенсивность в данной точке модулируется пропорционально угловым колебаниям поверхности, а глубина модуляции зависит от градиента спекл-поля в точке наблюдения и амплитуды колебаний. При увеличении амплитуды угловых колебаний поверхности возрастают и периодические смещения спекл-структуры поля. В результате при γ ≫ 1 в процессе перемещения спекл-картины за половину периода колебания точку наблюдения пересечет большое число отдельных спеклов, причем, чем больше амплитуда колебаний, тем больше это число. Здесь модуляция интенсивности носит характер периодически повторяющихся пачек импульсов, где число импульсов в пачке растет с увеличением амплитуды поверхностных колебаний. Совершенно очевидно, что это эквивалентно возрастанию вклада в спектр модулирующего сигнала высших гармоник. Данные результаты относятся к случаю, когда разрешение приемной оптической системы (ОС) меньше длины волны колебания на поверхности объекта. Ситуация является типичной, так как при различного рода механических воздействиях в них возбуждаются в основном собственные колебательные моды низших порядков, которые имеют длину волны порядка размеров самой поверхности. В то же время линейное разрешение приемной ОС может быть достаточно высоким для выполнения указанного условия вплоть до расстояний порядка десятков километров. Если размер апертуры фотодетектора ОС меньше характерных размеров спеклов, то все результаты полученные выше можно отнести к выходному сигналу этого фотодетектора, помещенного в данную точку изображения, с точностью до постоянного коэффициента, который описывает параметры фотодетектора. Ситуация существенно меняется, когда апертура фотодетектора превышает характерные размеры спеклов, так как начинает сказываться усредняющее влияние апертуры детектора. Данная ситуация является типичной для дистанционной вибродиагностики. Если в случае точечного детектора относительная мощность компоненты спектра Gm не зависит от расфокусировки оптической системы, то в случае конечных размеров ОС до апертуры детектора эта зависимость появляется. Когда система сфокусирована точно на поверхность объекта, т. е. Ψ1 = 0, величины Gm в случае конечных размеров фотодетектора отличаются от соответствующих величин для точечного детектора только коэффициентом 1/(æ²+1). Параметр æ² можно интерпретировать, как среднее число спеклов,

укладывающихся в площадь апертуры фотодетектора. При значениях æ²≫ 1 величина Gm убывает обратно пропорционально этому числу. В то же время, абсолютное значение квадрата амплитуды m-ой компоненты спектра флуктуаций мощности излучения растет пропорционально площади фотодетектора. Увеличение параметра расфокусировки Ψ1 довольно резко уменьшает величины Gm, причем эта зависимость сильнее проявляется для компонент с большим m. Увеличение диаметра апертуры фотодетектора (увеличение параметра æ) практически не сказывается на характере и степени этой зависимости. Аналогичный вывод можно сделать и в отношении влияния на эту зависимость параметра ɣ, который определяет амплитуду акустических колебаний поверхности объекта. Таким образом, для получения большего уровня сигнала на выходе фотодетектора необходимо стремиться к точной фокусировке изображения поверхности объекта, по крайней мере так, чтобы параметр Ψ1 был меньше единицы. Увеличение параметра æ, которое соответствует увеличению размеров апертуры фотодетектора приводит к уменьшению величин Gm вследствие интегрирующего влияния апертуры. При этом, чем больше расфокусировка системы, тем сильнее проявляется эта зависимость, т. е. подтверждается отрицательное влияние расфокусировки на свойства выходного сигнала детектора. Такое влияние расфокусировки на зависимость Gm от æ сказывается тем сильнее, чем выше номер гармоники m. Следует подчеркнуть, что уменьшение нормированного квадрата гармоники не означает, как отмечалось выше, уменьшения ее абсолютного значения, так последнее пропорционально средней мощности излучения, падающего на фотодетектор. Для оптимизации и оценки потенциальной чувствительности нами получено уравнение отношения сигнал/шум виде: δ1 =

2𝑒 𝜂₀2 𝐺от² 𝜋² 𝑑 4 Е₀4 𝑞 2 ℓ₁²𝐴₀² ℇ𝜙 𝜀ф Вп ℓ₂⁴ [

𝑒𝜂₀ 𝑞² 𝑑²𝑞²𝐾² 𝐺от 𝜋𝑑²Е₀² +𝑗т] (1+ ) ℇ𝜙 ℓ₂² 2ℓ₂²

,

(2)

где е – заряд электрона; 𝜂0 - квантовый выход фотодетектора; Gот – коэффициент отражения поверхности обьекта; d – радиус апертуры фотодетектора; Ео – освещенность на поверхности обьекта; Ао – амплитуда вибраций; 𝜀ф – энергия кванта излучения; Вп – полоса частот сигнала, обусловленная частотой вибраций; q – радиус апертуры приемной оптической системы; k – волновое число; 𝑗т – темновой ток фотодетектора; ℓ1 – расстояние от поверхности объекта до ОС; ℓ2 – расстояние от ОС до плоскости изображения в которой установлен фотодетектор. Из формулы (2) следует, что отношение сигнал/шум (чувствительность) является монотонно

33

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

возрастающей функцией радиуса апертуры фотодетектора d и достигает максимума, когда величина d равна радиусу изображения освещенного участка поверхности объекта. С другой сторо-ны, δ1 растет с увеличением освещенности Е₀² на поверхности объекта, которая при фиксированной мощности лазерного излучения обратно пропорциональна площади освещенного участка. Следовательно, для увеличения δ1 следует стремиться как можно лучше сфокусировать лазерный пучок на поверхности объекта. Минимальный размер светового пятна на поверхности определяется дифракционным пределом. В случае равенства размеров изображения светового пятна на поверхности и размеров апертуры фотодетектора справедливо следующее соотношение между излучаемой мощностью лазерного излучения Рл и освещенностью на поверхности Ео: Рл = πd² E0

ℓ₁² ℓ₂²

,

(3)

В результате, максимально возможное отношение сигнал/шум определяется величиной: δ1 =

𝑒 𝜂₀2 𝐺от²𝑃⋏ ²𝑞 2 𝐴₀² ℇ𝜙 𝜀ф ² Вп ℓ₁² [

𝑒𝜂₀ 𝑞² 𝐺от𝑃⋏ +𝑗т] ℇ𝜙 ℓ₁²

(4)

Если расстояние ℓ1 не слишком велико, то постоянная составляющая сигнального тока

существенно больше jт. В этом случае формула (4) упрощается: δ1 =

𝜂₀ 𝐺от 𝑃⋏ 𝐴₀² ℇ𝜙 Вп

(5)

и отношение сигнал/шум не зависит от расстояния до объекта, а определяется только параметрами поверхности объекта и приемно – детектирующей системы. В случае примененияя фотодетектора с квантовой эффективностью η₀ = 0,5, мощности лазерного излучения P⋏ = 10−2 Вт ( λ = 0,694 нм.), G от = 0,3 и Вп = 103 Гц; δ1 =3; из формулы (5) имеем, что Ао min = 3,6 10−7 рад. Высокая чувствительность Аоmin = 3,6 10−7 рад позволяет дистанционно определять микровибрации поверхностей различных объектов, например, в задачах распознавания и идентификации наземных и воздушных целей на основе лазерно-оптической дистанционной диагностики микровибраций корпуса целей [3]. Литература 1. Франсон М. Оптика спеклов. – М.:Мир, 1980. – 171 с. 2. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл – интерферометрия. – М.: Мир, 1986. – 327 с. 3. Лазер научится идентифицировать цели. Эл. ресурс: https://nplus1.ru/news/2015/11/23/laser/.

УДК 681 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ПОЖАРНЫМ ИЗВЕЩАТЕЛЯМ ДЛЯ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ Антошин А.А., Волков С.А., Мацапура А.И. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь В основе принципов совершенствования пожарных извещателей применяемых в зданиях где могут находится люди, лежит концепция, требующая от таких извещателей обеспечить условия для безопасной эвакуации людей из горящего здания. Чтобы обеспечить безопасную эвакуацию людей из горящего здания пожарный извещатель должен обнаружить пожар на такой его стадии развития, чтобы время, которым будут располагать люди, находящиеся в здании позволило им эвакуироваться до момента возникновения опасности. В настоящее время опасность, возникающая для людей во время пожара в помещении может быть вызвана несколькими причинами, термическим воздействием пожара, потерей видимости, воздействием токсичных продуктов горения. Однако, параметры, характеризующие эти воздействия в большинстве случаев не контролируются пожарными извещателями, применяемыми в жилых помещениях. Именно поэтому важным является изучение связи параметров окружающей

34

среды, значение которых должно измеряться пожарными извещателями с параметрами, которые характеризуют опасные факторы пожара. Связь между ними должна определять требования к чувствительности пожарного извещателя. Таким образом, чтобы определить требования к пожарным извещателям для жилых помещений необходимо, прежде всего, определить опасный фактор или факторы пожара, которые критичны в таких помещениях. Затем из полномасштабных экспериментов оценить время, за которое опасные факторы достигают предельно допустимого значения. После этого из полученных в полномасштабных экспериментах зависимостей, устанавливающих связь между значениями опасных факторов пожара и параметрами окружающей среды, необходимо определить значения параметров окружающей среды, которые должны достоверно измеряться пожарными извещателями. Это позволит установить требования к характеристикам извещателей для жилых помещений.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Согласно статистическим данным и исследованиям [1, 2] одной из основных причин гибели людей при пожарах является отравление газообразными продуктами горения. Результаты, представленные в работах [2–4] показали, что в большинстве случаев гибель людей на пожаре вызвана воздействием таких токсичных продуктов как угарный газ и синильная кислота. В результате экспериментов, проведенных в данной работе, установлено, что в условиях тление макета мягкой мебели HCN, HCl, H2S, HF, NO2. не образовывались. Изменение температуры в помещении на протяжении эксперимента не превышала 2–3 °C. Это позволяет говорить о том, что предельно-допустимые значения угарного газа достигаются гораздо раньше, чем других опасных факторов пожара и определение требований к пожарным извещателям в рассматриваемых условиях целесообразно производить с учетом воздействия на человека только угарного газа, образовавшегося во время пожара. Для оценки опасности в условиях пожара, в соответствии с ISO 13571, в качестве разумного критерия, позволяющего обеспечить возможность эвакуации принято значение относительной эффективной дозы (FED) 0,3 для токсичных газов. В качестве токсичного рассматривался угарный газ, являющийся удушающим. Доза угарного газа, которая может воспрепятствовать самостоятельной эвакуации находящихся в опасной зоне людей, в соответствии с ISO 13571, составляет 35000 мкл×л-1×мин. В работе показано, что значение относительной эффективной дозы (FED) 0,3 на высоте 0,5 м от пола достигается за промежуток времени от 1160 до1760 в зависимости от контролируемой в помещении точки. При этом следует отметить, что концентрация угарного газа в этих точках в указанный промежуток времени достигала значений от 11 до 15 ppm. Значение критической продолжительности пожара принималось равным 1160 с как соответствующее самому неблагоприятному сценарию.

Рисунок 1 – Изменение во времени концентрации угарного газа в помещении при тлении

На рисунке 1 приведены изменения концентрации угарного газа в различных точках помещения на высоте 2,8 м и 0,5 м от пола.

Из рисунка видно, что за время критической продолжительности пожара концентрация угарного газа под потолком помещения достигает значений 40-41 ppm, что соответствует чувствительности первой группы газовых пожарных извещателей в соответствии с СТБ 2469. Извещатели второй группы по СТБ 2469, имеют диапазон срабатывания в пределах от 40 до 80 ppm, и не способны выдать сигнал об опасности для человека за время критической продолжительности пожара. Учитывая, что обеспечение безопасных условий для людей возможно только в том случае если пожарный извещатель, работающий на любом принципе обеспечит не только обнаружение пожара, но и эвакуацию людей за период его критической продолжительности выполнен расчет необходимого для эвакуации времени. За время необходимое на подготовку к эвакуации и саму эвакуацию в работе принято время 660 секунд, полученное на основании результатов работ [5, 6]. Таким образом установлено, что в рассматриваемых условиях с учетом времени на эвакуацию и подготовку к ней время выдачи извещателем сигнала о пожаре должно составлять менее 500 с после возгорания. В указанный промежуток времени максимальные значения концентрации угарного газа на высоте 2,8 м (стандартное место установки пожарных извещателей) составляли 13 ppm, что не попадает в диапазон значений газовых пожарных извещателей в соответствии с СТБ 2469 (20 – 40 ppm). Относительная эффективная доза угарного газа (FED) в помещении на высоте 1,0 м и 1,5 м достигала значений 0,3 в течение 700–760 с. Кроме того установлено, что оптическая плотность в промежутке времени до 500 с составляла, менее 0,05 дБ/м [7], что не соответствует нормативным значениям порога срабатывания дымовых оптических извещателей в соответствии с СТБ 11.16.08. Заключение. Предложена методика определения требований к пожарным извещателям (системам пожарной сигнализации) для жилых помещений заключающаяся в определении величины их чувствительности обеспечивающей выполнение условий для безопасной эвакуации людей из горящего здания, в которой в качестве предельно допустимого значения опасного фактора пожара предлагается использовать относительную эффективную дозу угарного газа. В качестве экспозиционной дозы угарного газа, которая не позволит самостоятельно эвакуироваться из опасной зоны принято значение 35 000 мкл×л-1×мин. Показано, что при тлении макета мягкой мебели, состоящего из пенополиуретана в чехле из хлопчатобумажной ткани в жилой комнате площадью 18 м2 относительная эффективная доза угарного газа достигает значения 0,3 на высоте 1,0÷1,5 м через 700÷760 с.

35

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Определены значения концентрации угарного газа и раздражающих газов HCN, HCl, H2S, HF, NO2, удельной оптической плотности, рассеивающей способности и температуры окружающей среды при тлении в помещении макета мягкой мебели, состоящего из пенополиуретана в чехле из хлопчатобумажной ткани, в момент времени, когда пожар должен быть обнаружен чтобы обеспечить безопасную эвакуацию до того, как относительная эффективная доза достигнет значения 0,3. Литература 1. Сарманаев С.Х., Башарин В.А., Толкач П.Г., Шербашов К.А. Токсико-химическое поражение на пожаре / С.Х. Сарманаев. – Токсикология, т. 16, 2015 – С. 434–442. 2. Пузач С.В., Смагин А.В., Лебедченко О.С., Доан В.М., Полевода И.И., Полоз Д.А., Осяев В.А., Кузьмицкий В.А. Роль динамики опасных факторов пожара в патогенезе отравления человека на пожаре / Вестник командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь, №1 (11), 2010. – С. 4–10.

3. Петров Л.В. Судебно-медицинская характеристика комбинированных отравлений в условиях пожара: автореф. дис. канд. мед. наук / Л.В. Петров. – СПб, 1993. – 24 с. 4. Pauluhn J.A. Retrospective analysis of predicted and observed smoke lethal toxic potency values // J. Fire Sciences. – 1993. – Vol. 11, № 2. – Р. 109–130. 5. Bukowski R.W., Peacock R.D., Averill J.D., Cleary T.G., Bryner N.P., Walton W.D., Reneke P.A., Kuligowski E.D. Performance of Home Smoke Alarms. Analysis of the Response of Several Available Technologies in Residential Fire Settings // NIST Technical Note 1455-1, 2008 – 265 p. 6. Proulx G., Cavan N., Tonikian R. Egress Times from Single Family Houses. Institute for Research in Construction, National Research Council Canada Research Report: IRC-RR-209, July 2006. 7. Антошин А.А., Волков С.А. Методика исследования параметров среды и продуктов горения в жилом помещении и смежных с ним пространствах / А.А. Антошин. – Приборы и методы измерений 2018. – Т9, № 4. – С. 347–358.

УДК 621.891 ЗОНДОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ И ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ Тявловский А.К.1, Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1, Жарин А.Л.1, Пантелеев К.В.1, Петлицкий А.Н.2, Пилипенко В.А.2, Свистун А.И.1, Тявловский К.Л.1 1 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь 2 ОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ» Минск, Республика Беларусь Задачей исследования являлась разработка физических основ контроля качества тонких ионно-легированных и диффузионных слоев полупровод-никовых пластин кремния на основе неразрушающего контроля параметров пространственного распределения значений удельного поверхностного сопротивления (10–105 Ом/квадрат), основанных на базе методов зондовой электрометрии поверхности. По результатам исследований была разработана конструкция и изготовлены эскизный и опытный образцы измерительных преобразователей и измерительной установки бесконтактной фотостимулированной сканирующей электрометрии, реализующей описаный ниже метод. Чувствительный элемент измерительного преобразователя, реализующего метод бесконтактного контроля однородности распределения параметров ионно-легированных и диффузионных слоев на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм, представляет собой систему из четырех концентрических секторных электродов, расположенных в одной плоскости. Вид и размеры электродной системы показаны на рисунке. Центральный электрод занимает сектор 360°, сектор каждого из остальных трех электродов составляет 100°.

36

Локальное воздействие на поверхность полупроводниковой пластины модулированным оптическим излучением осуществляется через отверстие Ø0,51 мм в центральном электроде; поверхность полупроводника непосредственно под электродами при этом остается неосвещенной. Изменение величины модулированной поверхностной фото-ЭДС VJPV1 – VJPV4 под электродами S1 – S4 определяется латеральным дрейфом фотогенерируемых неравновесных носителей заряда (ННЗ). Полный сигнал, регистрируемый электродом площадью Si, вычисляется путем интегрирования поверхностной фото-ЭДС по площади электрода. Плотность мощности воздействующего излучения модулируется в соответствии с законом Ф(t) = Ф0(x,y)(1-cos(2πft)),

(1)

где Ф0(x,y) – пространственное распределение плотности мощности в пределах освещенного участка; f – частота модуляции оптического излучения. При поглощении излучения в мелком p-n переходе происходит генерация электронно-дырочных пар. Динамика генерации, рекомбинации и диффузии ННЗ описывается уравнениями непрерывности и Пуассона.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Разность фаз сигнала поверхностной фотоЭДС в точках с координатами r1 и r2 составляет      2  1   sin   r2  r1   . 2  

(8)

Из (5)–(7) отношение амплитуд модулированной поверхностной фото-ЭДС в точках пространства с координатами r1 и r2 можно выразить как

VJPV  r2  VJPV  r1 

Прологарифмируем (9):

ln

В данном случае генерация ННЗ обеспечивается воздействием монохроматического оптического излучения из области собственного поглощения кремния. Скорость генерации определяется выражением (2)

где α = 1/L – коэффициент поглощения оптического излучения; R – коэффициент отражения света; z – глубина (расстояние от поверхности полупроводниковой пластины). Решение (2) для поверхностной фото-ЭДС в одномерной модели может быть найдено в виде

VJPV  r   A  K0  k  r  ,

(3)

где K0 – модифицированная функция Бесселя второго рода; r – расстояние от центра области воздействия, соответствующее радиусу расположения отсчетного электрода. Модифицированная функция Бесселя второго рода нулевого порядка записывается как K 0  k  r   a  j  b  K 0  k  r  exp  j  .

(4)

С учетом (4), выражение (3) можно переписать в виде VJPV  r   A* exp   j  , (5) где

A* 

(9)

    exp   cos   r1  r2    . 2  

Рисунок – Вид и размеры электродной системы чувствительного элемента: S1 = 0,746 мм2; S2 = 0,567 мм2; S3 = 0,785 мм2; S4 = 1,004 мм2

g n  g p   1  R  exp  z  ,

    exp   cos  r1   A  2      A     exp   cos  r2    2   * 2 * 1

A    , exp   cos  r    2  

(6)

     sin  r  . 2 

(7)

VJPV  r2  VJPV  r1 

    cos   r1  r2   . 2 

(10)

Из (8) и (10) получаем, что

1   2fCS   tg    tg  arctg    2  G  2  .  VJPV  r2  ln VJPV  r1 

(11)

Откуда

G

2fCS        tg  2arctg    ln VJPV  r2   VJPV  r1    

      

. (12)

Емкость подложки CS может быть найдена из выражения 0 q 2 N 2kT CS  (13)   N  , N 2ln    ln  ln     ni    ni   где ni – собственная концентрация носителей заряда в подложке. Величина CS является константой подложки и может быть вычислена заранее вне цикла измерений. Тогда величину удельного поверхностного сопротивления ионно-легированного или диффузионного слоя можно найти из выражения

37

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»       RS      2fCS  arctg   2 2  G  4 G   2fCS   sin  2      

2

     .      r r   1 2      

(14)

Алгоритм бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления ионно-легированных и диффузионных слоев включает следующие действия: – локальное воздействие на поверхность полупроводника модулированным оптическим излучением под центром электрода S1 (см. рисунок); – регистрация амплитуд модулированной поверхностной фото-ЭДС VJPV(r2), VJPV(r3) и VJPV(r4) и фазовых сдвигов ΔФ23 и ΔФ34; – вычисление емкости подложки CS в соответствии с выражением (13) на основе априорных данных;

– вычисление проводимости перехода G в соответствии с выражением (12) на основании регистрации амплитуд и фазовых сдвигов модулированной поверхностной фото-ЭДС; – вычисление удельного поверхностного сопротивления RS в соответствии с выражением (14) на основе среднего вычисленного значения G. Как можно видеть, предложенная методика измерений на основе использования зондовых электрометрических методов позволяет, помимо удельного поверхностного сопротивления, регистрировать дополнительные параметры характеризации ионно-легированных и диффузионных слоев, а именно: электрическую емкость подложки и проводимость перехода, в том же цикле измерения. Данный алгоритм реализован в программном обеспечении измерительной установки бесконтактного контроля однородности распределения параметров ионно-легированных и диффузионных слоев на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм и выполняется автоматически.

УДК 681.2-71 РАСЧЕТ ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МИКРОТРИБОМЕТРА MTУ-2K7 Гуцев Д.М., Григорьев А.Я. Государственное научное учреждение «Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси» Гомель, Республика Беларусь Модуль возвратно-поступательного движения микротрибометра MTУ-2K7 осуществляет функцию перемещения образца в процессе измерения. Для перемещения исследуемого образца был применен бесконтактный привод, обладающий рядом преимуществ. Одной из проблем при работе микротрибометра является нагрев катушек до температуры около 70 ºС, что может привести к перегреву и выходу прибора из строя. Поэтому целью работы является расчёт параметров работы катушки и оптимальных габаритных размеров для надежной работы катушки не допускающей ее перегрев. Так, если внешний диаметр провода Dpr = 0,5 мм, Dprn = 0,55 мм, то площадь сечения провода: 2

S pr

 D pr   ,    4 

Выбираем для расчета катушки размеры: длина катушки lk = 65 мм; высота катушки hk = 14 мм; наружный диаметр катушки Dн= 45 мм; внутренний диаметр катушки Dв = 20 мм. Так как средняя длина витка:

38

 Dн  Dв  2

,

Число витков катушки будет:

  fk   0 ,85

hk l k D 2prn

14  65 0 ,55 2

,

(3)

 2557 .

Находим сопротивление провода:

 0 ,5  2  3 ,14     0 ,19635 мм .  4 

lср 

Таблица 1 – Значение удельного сопротивления Рабочая темпераСопротивление (удельное), тура, °С Ом.мм2/м 20 ρ20=0,01754 40 ρ40=0,01991

(1)

2

S pr

Выбираем коэффициент заполнения катушки fk = 0,85. Тогда значение удельного сопротивления выбираем по таблице 1 при 20ºС, 40ºС [1].

(2)

r   40

  ( Dн  Dв ) 2 , S pr

(4)

3,14  ( 0 ,045  0 ,020 ) 2 r  0 ,01991  2557  26 ,47339 Ом . 0 ,19635

Из таблицы 2 [1] выбираем коэффициент теплоотдачи μ=f(Ө) при 40ºС, 60ºС, 80ºС.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности Таблица 2 – Значение коэффициента теплоотдачи μ=f(Ө) 0° Шкала А, Шкала В, Вт/см2°С 2 Вт/см °С 40 11,00·10-4 9,84·10-4 60 11,80·10-4 10,54·10-4 80 12,68·10-4 11,35·10-4

Требуется рассчитать пассивную систему охлаждения для данных катушек. В качестве системы охлаждения применим ребристый радиатор рис. 1; мощность которую требуется рассеять принимаем Р = 3 вт.

Намагничивающая сила катушки магнитной системы: (5) F  I , Примем I=1A, тогда

F  1  2557  2557. Нагрев катушки определяется потерей мощности при протекании тока I: P  F 2r,

(6)

P  2557  26 ,47339 Вт. 2

Выбираем минимальный коэффициент теплоотдачи μ40 и находим превышение температуры обмотки:  40 (7)  ( I )2 , 20  40 f k hk l k2 

0 ,01991 20  9 ,84  10

4

 0 ,85  14  65

2

( 1  2557 )2  13 ,15656 .

.

Принимаем значение превышение температуры обмотки равным Ө=20. Продолжительный режим работы, когда катушка включена на длительный промежуток времени: P   40 S ,

(8)

где S – поверхность охлаждения катушки. Отсюда следует, что S

S

P

   40

26 ,47339 13 ,15656  9 ,84  10 4

(9)

 134519 ,25351 мм 2 .

Второй способ расчета поверхности охлаждения для круглых катушек представляет собой разность между средней температурой намотки и температурой окружающей среды: (10)

S  3,14  ( 45  20 )  65  13273,22896 мм 2 .

Выбираем наименьшую поверхность охлаждения для круглых катушек S=13273,2289 мм2. При продолжительном режиме работы, когда катушка включена на длительный промежуток времени по формуле (8): P  9 ,84  10 4  13273,22896  20  2 ,61217 Вт.

Условия работы: температура окружающей среды 25 °С; свободная конвекция; материал радиатора – дюралюминий Д16; степень черноты покрытия радиатора ε=0,4; изоляционная прокладка между корпусом катушки и радиатором – слюда толщиной 0,1 мм Тепловые данные катушки: ‒ температура перехода полупроводникового прибора tп = 70 °С; ‒ тепловое сопротивление переход – корпус Rп.к = 1°С/вт. Определяем температуру корпуса катушки: t k  t n  PRn.k ,

(11)

t k  70  3  1  67  C .

Находим разность температур между корпусом катушки и радиатором для данного типа изоляционной прокладки:

 k . p  PRk . p ,

,

S   ( Dн  Dв )lk ,

Рисунок 1 – Определяющие размеры ребристого радиатора

(12)

Величина Rк.p для слюды толщиной 0,1 мм равна 1,7°С/вт. По номограмме [2. Ю.Ф. Скрипников] по известным значениям tк. Өк.р, tc определяем среднюю температуру поверхности ts, разность температур между радиатором и окружающей средой Өр. с и среднюю температуру tm: ts ≈63 ºС; Өр. с ≈ 36 ºС;

tm ≈ 45 °С.

Приняв протяженность радиатора l=68 мм, найдем по номограмме на рисунке [2] коэффициент теплоотдачи αк = 7,2 Вт/(м2•°С). По номограмме [2, рис.13] определяем значение коэффициента αл=3,3 Вт/(м2•°С). Находим общий коэффициент теплоотдачи:

  k  л ,

(13)

  7 ,2  3,3  10,5 Вт /( м 2  С ).

Из номограммы [2, рис.14] определяем поверхность теплообмена: Sp = 0,18 м2 = 18·104 мм2.

39

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Принимаем h =50,5 мм; b/h = 0.08 и находим b = 4 мм. Выбираем d = 7,5 мм; δ= 3 мм и рассчитываем площади SA и SБ: S А  2[( l   )  ( h  d )  l( b  d )  bd ]  dl ,

(14)

S А  2 [( 68  3 )  ( 50 ,5  7 ,5 )  68( 4  7 ,5 )   4  7 ,5 ]  7 ,5  86  9215

В результате расчета мы видим, что для обеспечения нормального теплового режима катушки при рассеиваемой мощности 3 Вт и температуре окружающей среды 25°С необходим радиатор со следующими геометрическими размерами: L = 136 мм; l = 68 мм; h = 50,5 мм; b = 4 мм; d = 7,5 мм; δ = 3 мм; n = 20, который приведен на рис. 2.

мм 2 .

S B  2[( l   )  ( h  d )  lb ]  dl ,

(15)

S B  2[( 68  3 )  ( 50,5  7 ,5 )  68  3 ]  7 ,5  86  8134 мм.2 .

Определяем число ребер: n n

SP  SБ  1, SA

(16) Рисунок 2 – Внешний вид радиатора Литература

18  10 4  8134  1  20. 9215

Вычисляем ширину радиатора: L  ( n  1 )( b   )   ,

(17)

L  ( 20  1 )( 4  3 )  3  136 мм.

1. Ступень, Ф.А. Электромеханические реле. Основы теории, проектирования и расчета / Ф.А. Ступень // Издательство харьковского университета, Харьков 1956 г. – 355 с. 2. Скрипников, Ю.Ф. Радиаторы для полупроводниковых приборов / Ю.Ф. Скрипников // «Энергия» Москва, 1973 г. – 50 с.

УДК 614.842 АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО МЕХАНИЗМА ТУШЕНИЯ ПОЖАРА ПОДКЛАССА А1 МОДУЛЕМ ПОРОШКОВОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ С УЧЕТОМ ИНЕРЦИОННОСТИ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА ЧАСТИЦАМ ПОРОШКА Кицак А.И. Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь Минск, Республика Беларусь Введение. Характерной особенностью тушения порошками пожаров твердых горючих материалов (ТГМ) модулями порошкового пожаротушения является проявление инерционности передачи тепла частицам порошка вследствие конечной скорости переноса тепла в поглощающем материале. Учет инерционности особенно важен при кратковременном воздействии порошка на очаг пожара. При попадании частиц огнетушащего порошка в очаг пожара часть из них оседает в обугленных зазорах горючего материала, образуя расплав, а часть отражается от ТГМ и выносится из зоны пожара. Отраженные частицы не успевают аккумулировать за время взаимодействия с горючим материалом максимальное количество теплоты вследствие инерционности передачи тепла. Чем больше скорость частиц огнетушащего порошка, т. е. чем больше интенсивность подачи порошка в зону горения, тем быстрее частицы порошка покидают зону горения, и не участвуют в эффективном охлаждении

40

горючего материала. Данная особенность приводит к необходимости увеличения расхода порошка для тушения пожара ТГМ при больших интенсивностях воздействия на очаг пожара и удлинению процесса тушения пожара. Целью работы является рассмотрение модели теплового механизма тушения пожара огнетушащим порошком общего назначения с учетом инерционности передачи тепла частицам порошка при нестационарном теплообмене для выявления оптимальных условий тушения порошками пожаров подкласса А1. Считая, что основные параметры тушения пожаров подкласса А1 огнетушащим порошком определяются эффективностью протекания теплового механизма тушения, получены математические соотношения, описывающие основные зависимости процесса тушения пожара подкласса А1 огнетушащим порошком общего назначения при кратковременном воздействии его на очаг пожара. Анализ данных соотношений показал, что

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

эффективность тушения определяется соотношением времени взаимодействия частиц порошка с горючим материалом τвз и времени отклика материала частиц порошка на воздействии тепла τи. Величина τи связана с теплофизическими параметрами материала частиц порошка и их характерными размерами соотношением:

ности древесины, принималась равной 1 мм. Толщина обугленного слоя древесины за время аккумуляции тепла τг ~10 с приравнивалась 1 см. Из графиков, приведенных на рисунке 1, видно, что с увеличением интенсивности подачи огнетушащего порошка в очаг пожара время тушения пожара уменьшается.

 и ~ сl  , 2

где c – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг·К); ρ– плотность материала, кг/м³; λ –коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·К); l – характерный геометрический размер частиц порошка, м. Установлено, что процесс отбора тепла частицами огнетушащего порошка происходит тем эффективнее, чем больше время взаимодействия их с горючим материалом τвз и чем меньше тепловая инерционность вещества частиц порошка τи. Как видно из формулы для τи, значение этого параметра тем меньше, чем меньше теплоемкость и плотностью вещества, из которого состоят частицы порошка, чем больше его теплопроводность, и чем меньше характерный геометрический размер частиц порошка. Основные закономерности тушения пожара подкласс А1 огнетушащим порошком при кратковременном воздействии на очаг пожара демонстрируются приведенными зависимостями времени тушения пожара и удельного расхода на тушение порошка от интенсивности подачи порошка в зону горения. На рисунке 2 приведены зависимости удельного расхода огнетушащего порошка G от интенсивности подачи его в зону горения J при тушении модельного очага пожара ранга 0,1А локально по площади огнетушащим порошком с преобладанием частиц бикарбоната натрия (а) и преобладанием частиц моноаммонияфосфата (б). Зависимости на рисунках 1 и 2 построены для двух типов, наиболее часто используемых при тушении пожаров огнетушащих порошков, с преобладанием частиц бикарбоната натрия и частиц моноаммонияфосфата. Теплофизические и геометрические параметры данных частиц приведены выше. Модельный эксперимент тушения пожара подкласса А1 ранга 0,1 А заключался в подачи в зону горения из модуля порошкового пожаротушения при постоянном давлении 0,7 МПа навесок порошка массами 0,6; 0,66; 0,8; 0,87; 1,0 кг через отверстия диаметрами 13, 16 и 24 мм. При количественных оценках использовались следующие значения параметров очага пожара ранга 0,1А: мощность пожара Q = 0,046 МВт,

Sпов = 0,48 м². Толщина теплового слоя h, формируемого возле горящей горизонтальной поверх-

Рисунок 1 – Зависимости времени тушения τ от интенсивности подачи порошка в зону горения J при тушении модельного очага пожара ранга 0,1А локально по площади огнетушащим порошком с преобладанием частиц бикарбоната натрия (а) и преобладанием частиц моноаммонияфосфата (б)

Рисунок 2 – Зависимости удельного расхода огнетушащего порошка G от интенсивности подачи его в зону горения J при тушении модельного очага пожара ранга 0,1А локально по площади огнетушащим порошком с преобладанием частиц бикарбоната натрия (а) и преобладанием частиц моноаммонияфосфата (б)

Анализ зависимости от интенсивности подачи огнетушащего порошка в очаг пожара другой важной характеристики процесса тушения – удельного расхода порошка на тушение пожара G (рисунок 2) показывает, что существует оптимальная величина интенсивности подачи огнетушащего порошка в зону пожара, при которой реализуется минимальный удельный расход порошка на тушение пожара. Заключение. Предложена модель теплового механизма тушения пожара подкласса А1 по площади огнетушащим порошком при кратковременном воздействии его на очаг пожара. Получены теоретические зависимости времени тушения и удельного расхода огнетушащего порошка от интенсивности подачи порошка в зону горения при тушении пожара подкласса А1 локально по площади. Выявлено наличие оптимальной величины интенсивности подачи огнетушащего порошка в зону пожара, при которой реализуется минимальный удельный расход порошка на тушение пожара. Наличие данного оптимума связано с инерционностью теплового механизма тушения

41

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

пожара подкласса А1 порошками вследствие конечности времени передачи тепла, запасенного при пожаре, частицам огнетушащего порошка и ограниченности времени взаимодействия частиц с горючим материалом. Результаты теоретического анализа процесса тушения пожара по площади качественно согласуются с результатами экспериментального изучения закономерностей тушения по площади модельных очагов пожара подкласса А1 огне-

тушащим порошком общего назначения, полученными работе [1]. Литература 1. Кицак, А.И. Экспериментальная оценка эффективности тушения пожара подкласса А1 локально по площади и локально по объему огнетушащим порошком общего назначения при его кратковременном воздействии на очаг пожара / С.М. Палубец, Д.В. Дробыш // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. –2019. – №1 (45) – С. 29–41.

УДК 621.3 УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЕЙ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА Скицюк В.И., Клочко Т.Р., Булык М.А. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского» Киев, Украина Введение. Постановка задачи. Медицинские приборы имеют разное строение, модификацию, особенности конструкций, и разную возможность их применения. Такое стремительное развитие вызвано совершенствованием отдель-ных блоков и модулей приборов, одни из кото-рых отвечают за функции контроля, наблюдения, регистрацию показателей и их обработку, другие же отвечают за изменение положения конструк-ций отдельных модулей медицинского прибора. Вполне естественно, что они содержат в себе и элементы механики. Такое разнообразие конструкций и свойств медицинской аппаратуры должен обладать высокой работоспособность и надежность при эксплуатации, ведь от них может зависеть жизнь человека, состояние его здоровья. Поэтому актуальной задачей является создание устройств, которые будут осуществлять контроль изготовления приборов, в частности медицинских, а именно их деталей и узлов [1–3]. Важным параметром является твердость материалов, из которых изготавливаются детали медицинских приборов, поскольку твердость этих материалов имеет большое значение для износостойкости детали и ее возможности выполнять ту или иную поставленную задачу в определенных узлах прибора. В особенности, это касается сочетания деталей с различной твердостью и шероховатостью, когда их сочетанная работа может привести к быстрому износу в том случае, когда физико-механические параметры этих деталей не измерены достаточно точно [4]. Сама конструкция прибора также должна осуществлять свои функции и отвечать тем пара-метрам, которые нужны на производстве, а узлы данного прибора имеют иметь хорошую работо-способность и выработок. Если все эти условия будут обеспечены, то использование данного прибора будет эффективным, а учет и расчет поломок и

42

износа отдельных деталей и частей прибора для контроля твердости, может предотвратить случайные поломки и своевременно заменить компоненты прибора, чтобы продлить работоспособность прибора. Цель работы. Разработка схемотехнических решений и принципов измерения микротвердости материала деталей разного назначения в условиях производства. Метод исследования. Стойкость режущего инструмента при обработке деталей приборов [5] имеет первоочередное значение при режимах обработки, которые являются следствием свойств материалов, подлежащих обработке. Только на следующем этапе является контроль скорости износа режущего инструмента. Как следствие, современная промышленность произвела ряд методик измерения износа инструмента, при этом ситуация с определением твердости материала остается в том же состоянии, что и 10–20 лет назад. Как правило, используется ряд измерителей ручной конструкции, которая позволяет определять твердость при остановке станка и последующего введения систему CNC. Поэтому разработка таких измерителей твердости, которые работают в автоматическом режиме, требует конструкций и схем, подобных по своим принципам построения системам активных нулевых баз, но по обратному принципу. Основной метод состоял в исследовании работы блок-схемы (рис. 1), которая разработана для контроля микротвердости деталей приборов, а также деталей, предназначенных для совместного функционирования с организмом, что составляет биотехническую систему [6, 7]. Таким образом, система состоит из модуля 1 контроля касания вершиной индентора поверхности контролируемой детали; датчика 2; блока 3 отладки рабочей частоты; каскадного динами-

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

ческого усилителя 4; компаратора 5; ключевого элемента 6; триггера 7. В системе предусмотрены блок 8 индикации; блок 9 гальванической развязки; модуль 10 контроля силы нагрузки. Основным модулем является датчик 11 электромагнитный. Система содержит блок 12 отладки на рабочую частоту; каскадный динамический усилитель 13; компаратор14; ключевой элемент 15; триггер 16; устройство индикации 17; блок 18 гальванической развязки; генератор 19 дополнительный электромагнитного поля. Система измерителя соединена с системой CNC станка 20. На схеме (рис.1) представлены контролируемая деталь 21; индентор 22; упругий элемент 23; штанга 24 индентора; прецизионный элемент касания 25; а также регулятор 26 диапазонов давления.

Рисунок 1 – Блок-схема микротвердомера

Результаты исследования. Разработана конструкция измерителя Микротвердомер М20-2. Данная конструкция является оригинальной, и разработана для использования на производствах имплантов и протезов, а также деталей разных приборов, а в частности медицинских. Разработанный микротвердомер М20-2 имеет сложную конструкцию. Сущность конструкции заключается в том, что он имеет возможность измерять твердость в двух координатах, то есть по Z или Y, или X. Для того, чтобы обеспечить такие возможности измерения, М20-2 имеет свойство изменения формы. В устройстве микротвердомера это обеспечивается специальной конструкцией, которая позволяет менять форму. При этом это или прямая, или Г-образная. В связи со сложностью конструкции у прибора можно выделить несколько отдельных фрагментов описания функциональных частей. Такими частями являются: радиоэлектронная часть измерения и управления; хвостовик с движущим механизмом; подвижная часть с индикатором; модуль индентора. Технические характеристики М20-2: ‒ Диапазон нагрузок 0,0019 ... 5 Н; ‒ Управление нагрузками – автоматическое; ‒ Условия эксплуатации: -5 °С…+40 °С;

‒ Габаритные размеры, не более 296×52×72 мм; ‒ Масса, не более 1 кг. Особенностью данной конструкции является то, что она используется непосредственно на обрабатывающих металлорежущих станках, с помощью которых осуществляется обработка металлических частей протезов, имплантов, медицинских деталей. Ведь другие современные микротвердомеры, например, типа HMV-G20, HMV-G21, ПМТ-3[4], предназначенные для измерения твердости материалов по шкале Викерса в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007, не имеют таких свойств и возможностей работы с отдельным оборудованием, которое требует дополнительного пространства, а также имеет особенные требования к установке и эксплуатации в производстве. Выводы. Преимуществами разработанного прибора для измерения свойств различных типов и модификаций деталей из различных материалов является его применение на промышленных станках, что позволяет использовать данный прибор в промышленности при производстве деталей приборов, а также металлических имплантов, осуществлять контроль их твердости, не снимая предварительно деталь из рабочего пространства станка. Это дает современному приборостроению возможность экономии времени и оптимизации производства, что также может в большей степени отразиться на экономике предприятия. Ведь операции контроля различных типов имплантов требуют специальных установок, которые используются только в лабораториях, и которые имеют значительные размеры и требуют соблюдения соответствующих условий эксплуатации. Кроме того, представленная головка может устанавливаться в портативных переносных приборах для расширения их областей применения. Таким образом, мы можем сказать, что данный прибор, его конструкции и особенности применения делают его практическим средством для контроля микротвердости, который может составить конкуренцию современным приборам контроля, обусловливает дальнейшее развитие и совершенствование модели. Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке МОН Украины НИР ДР 0117U004263. Литература 1. Тимчик, Г.С. Засоби контролю процесів механообробки надточних деталей: монографія / Г.С. Тимчик, В.І. Скицюк, М.А. Вайнтрауб, Т.Р. Клочко. К.: НТУУ «КПІ», 2011. – 516 с. 2. Скицюк, В.И. Физика технологии ТОНТОР: монография / В.И. Скицюк, Т.Р. Клочко. – Саарбрюкен, Германия: ИД LAP Lambert Academic Publishing, 2015. – 332 c. 3. Tymchyk, Gr.S. Basic principles of technological object’s touch registration during machining materials /

43

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019» Gregory S. Tymchyk, Volodymyr I. Skytsiouk, Tatiana R. Klotchko, Andrzej Kotyra, Azat Turgunbekov, Saule Smailova // Przegląd Elektrotechniczny, R. 95, NR 4/2019. 4. Крагельский, И.В. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1. / И.В. Крагельский, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1978. – 400 с. 5. Армарего, И. Дж. А. Обработка металлов резанием / И. Дж. А. Армарего, Р.Х. Браун. – М.: Машиностроение, 1977. – 325 с.

6. Булик, М.О. Автоматизований модуль контролю твердості матеріалу штучних імплантів / В.І. Скицюк, Т.Р. Клочко / Збірн. статей. XІ науково-практ. конфер. студентів та аспірантів «Погляд у майбутнє», 1516 травня 2018 р., м. Київ, КПІ ім. Ігоря Сікорського. – 2018. – С. 329-332. 7. Патент Украины 128709 МПК (2017.01) GOIN 3/40. Спосіб вимірювання мікротвердості деталі / В.І. Скицюк, Т.Р. Клочко, М.О. Булик, М.М. Печонка. – Опубл. 10.10.2018. Бюл. № 19.

УДК 620.178 ОЦЕНКА ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОГО ВДАВЛИВАНИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ИНДЕНТОРА, СКОРОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛА Ланцман Г.А., Рудницкий В.А., Крень А.П. Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь Известно, что механические характеристики металлов, измеренные при динамическом нагружении, как правило, имеют более высокие значения, чем эти же характеристики, определенные при плавном приложении нагрузки. Считается, что основным параметром, который влияет на это увеличение, является скорость пластической деформации ε̇ . Особым случаем нагружения является удар. При ударном индентировании процесс деформирования не является в полной мере контролируемым со стороны исследователя, а ε ̇ является сложной характеристикой, зависящей как от условий испытаний, так и от свойств контролируемого материала. Для определения скорости пластической деформации в настоящее время применяются различные выражения [1–3]. Так, в работе [1] предлагается использовать с этой целью отношение скорости перемещения индентора V, которая в процессе испытания поддерживается постоянной, к величине параметра индентирования γ: ε̇ =

𝑉 γ

𝐻𝑑 =

𝑊0 32 𝐷 𝜋𝑑𝑐4

𝑚𝑉 2

,

(2)

𝜋𝑑 4

где 𝑊0 = 0 – предударная энергия, 𝑐 – объем 2 32𝐷 пластического отпечатка.

(1)

В качестве γ может использоваться как диаметр пластического отпечатка dс, так и контактная глубина вдавливания hс, образующиеся при внедрении в металл индентора диаметром D и массой m с предударной скоростью V0 (рис.1). Влияние dс и hс, оказываемое на ε̇ , примерно одного порядка, и порядок значений ε̇ тоже примерно сохраняется. При этом dс можно считать мерой сдвиговой (радиальной), а hс – нормальной составляющей пластической деформации. Применительно к ударному нагружению ε̇ может рассчитываться как усредненная за весь удар, так и мгновенная, изменяющаяся в процессе нагружения. Рассмотрим влияние параметров индентирования (D, m, V0) и характеристик материала (динамической твердости Hd) на значение средней скорости пластической деформации ε̅̇ .

44

Не смотря на то, что в процессе удара скорость вдавливания V(t) меняется, будем рассматривать V = V0. Для определения ε̅̇ , для случая γ = 𝑑с , найдем dс из уравнения для динамической твердости [4]:

Рисунок 1 – Процесс динамического взаимодействия индентора и испытуемого материала: а – схема контакта, б – диаграмма нагружения

Определим dс из (2) и подставив в (1), получим выражение для скорости радиальной составляющей пластической деформации: 2

1/4

𝑉 𝐻 ε̅̇ 𝑟 = 0,66 ∙ ( 0 𝑑) 𝑚𝐷

.

(3)

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Для случая γ = ℎ𝑐 используем геометрическое соотношение между диаметром и глубиной пластического отпечатка, характерное для условия dс ≪ 𝐷: 𝑑𝑐 =2(ℎ𝑐 𝐷) 1/2 (4) Решая (1), (2) и (4) совместно получим формулу для величины скорости нормальной составляющей пластической деформации 1/2

𝐻 𝐷 ε̅̇ n = 1,77 ∙ ( 𝑑 ) 𝑚

(5)

C помощью уравнений (3) и (5) можно оценить влияние предударной скорости, диаметра сферы и массы индентора, а также динамической твердости материала на скорость пластической деформации. При этом следует понимать, что величина 𝐻𝑑 не является постоянной и изменяется при варьировании D и W0. Анализ формулы (3) показывает, что на величину ε̅̇ 𝑟 , при прочих равных условиях, в большей степени влияние оказывает V0, а 𝐻𝑑 , m и D в меньшей. Здесь также следует учитывать, что с увеличением V0 динамическая твердость будет увеличиваться. Например, для 𝜀̅̇ 𝑛 (формула (5)) V0 не входит в выражение напрямую, однако опосредованно оказывает влияние, поскольку Hd будет зависеть от V0. Диаметр D разнонаправленно влияет на ε̅̇ 𝑟 и 𝜀̅̇ 𝑛 . Проведенный анализ подтверждает сложность описания удара, как синергетического процесса. При ударе невозможно изменить какойлибо параметр, не повлияв на значения других. Необходимо учитывать и тот факт, что при ударе деформация проходит разные стадии: от упругой до полностью пластической, и от их вклада отклик материала на приложенное воздействие будет значительно отличаться. Если использовать выражения (1) и (4), то можно также получить соотношение, связывающее величины скорости пластической деформации:

ε̅̇ 𝑟 ε̅̇ 𝑛

=

𝑑с 4𝐷

Решая совместно (2) и (7) можно получить: ε̅̇ 𝑡 = 0,4 (

𝑚𝑉02 4 𝜋𝐻𝑑 𝐷3 𝑡𝑎

1/4

)

(8)

Из данного выражения следует, что при фиксированных параметрах индентирования: m, V, D при увеличении твердости материала Нd значение ε̅̇ 𝑡 будет снижаться. Однако это утверждение опровергается многочисленными исследованиями, в том числе полученными и в рамках данного исследования (рис. 2) (время ta уменьшается с увеличением Нd). При этом влияние ta в формуле (8) более значительно, поэтому с увеличением Нd наблюдается рост ε̅̇ 𝑡 . На рис. 2 показана связь Нd и ε̅̇ 𝑡 для различных материалов, включая закаленную сталь и пластичный свинец. Предударная скорость индентора при проведении испытаний составляла V0 = 0,88 м/с, индентор имел диаметр D = 2,3 мм и массу m =4 ,3 г. Полученные данные убедительно подтверждают тот факт, что при ударе все параметры являются взаимозависимыми. Также следует понимать, что в процессе ударного взаимодействия скорость пластической деформации не является постоянной величиной. Мгновенная скорость деформации, в отличие от средней, снижается к концу активного этапа удара. Если определить мгновенную скорость деформации путем дифференцирования, то можно получить: 𝑑

𝑑(0,2 𝐷с )

ε̇ =

𝑑𝑡

=

0,2 𝑑(𝑑с ) 𝑑ℎ 𝐷

𝑑ℎ 𝑑𝑡

=

0,2 𝑑(2√𝐷ℎс ) 𝑑ℎ 𝐷

𝑑ℎ

𝑑𝑡

=0,4∙

𝑉 𝑑с

(9)

Уравнение (9) совпадает с формулой (1) при 𝛾 = 𝑑с за исключением постоянного коэффициента 0,4, который характеризует скорость истинной деформации при испытании на растяжение.

.

Кроме формулы (1) в практике индентирования используется еще одно выражение для деформации, полученное Тэйбором [4]: ε=

0,2 𝑑с 𝐷

.

(6)

Считается, что ε, выраженная этой формулой, соответствует истинной деформации при одноосном растяжении. Если разделить это выражение на длительность активного этапа удара 𝑡𝑎 – время, в течение которого деформация увеличивается, получим другое выражение для средней скорости пластической деформации: 0,2 𝑑с ε̅̇ 𝑡 = . 𝑡𝑎 𝐷

(7)

Для оценки степени влияния, входящих в формулы (3), (5) и (7) величин на получаемое значение ε̅̇ , и подтверждения пригодности их использования были проведены соответствующие эксперименты.

Рисунок 2 – Зависимость 𝑙𝑔𝜀̅̇ 𝑡 от 𝑙𝑔𝐻d

Таким образом в работе изучено влияние динамичности нагружения на поведение металлов при индентировании, установлены взаимосвязи между параметрами ударного индентирования и твердостью материала, позволяющие установить степень их взаимного влияния на процесс деформирования сферическим индентором. Литература 1. Amin H. Almasri, George Z. Voyiadjis. Effect of Strain Rate on the Dynamic Hardness in Metals // Journal of

45

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019» Engineering Materials and Technology. 2007, V. 129, P. 505-512. DOI: 10.1115/1.2744430. 2. M.A.G. Calle, L.M. Mazzariol, M. Alves. Strain rate sensitivity assessment of metallic materials by mechanical indentation tests // Materials Science & Engineering A. DOI: org/10.1016/j.msea.2018.04.023.

3. Jun Lu, Subra Suresh, Guruswami Ravichandran. Dynamic indentation for determining the strain rate sensitivity of metals // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2003, V. 51, P. 1923–1938. 4. Tabor D. The Hardness of Metals. Oxford University Press, 2000. 175 p.

УДК 621.317.799:621.382 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ МАТРИЧНОГО КОММУТАТОРА Лисенков Б.Н., Грицев Н.В. ОПО «МНИПИ» Минск, Республика Беларусь В работе представлен автоматизированный измерительный комплекс для контроля параметров тестовых структур при испытаниях изделий микроэлектроники на радиационную стойкость, представленный на рисунке 1.

а

б

Рисунок 1 – Автоматизированный измерительный комплекс для контроля тестовых структур в составе измерителя ВАХ, матричного коммутатора и внешнего ПК: а – вид со стороны передней панели; б – вид со стороны задней пенели

Обмен информацией измерителя ВАХ и матричного коммутатора с ПК осуществляется по интерфейсу USB. Для обмена информацией с ПК через интерфейс RS 485 в процессе радиационного эксперимента используются преобразователи UPORT 1130 и кабели длиной 20 м из комплекта принадлежностей комплекса. Комплекс разработан для центра коллективного пользования «Радиационный центр» при ГНПО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» в рамках подпрограммы «Уникальное научное оборудование» ГНТП «Эталоны и научные приборы». Комплекс состоит из: четырехканального измерителя вольтамперных характеристик (ВАХ), матричного коммутатора (5×48) и специализированного программного обеспечения (ПО) COMPLEX для внешнего персонального компьютера (ПК), которое работает под операционной системой не ниже Windows XP [1].

46

Работа с ПО COMPLEX не требует знаний в области программирования при проведении измерений и при подготовке программ автоматизированного контроля. В состав комплекса также входят два устройства присоединительных (УП) для подключения тестовых структур к портам коммутатора. Первое предназначено для работы в лабораторных условиях, а второе (УП1) – для работы в удаленной испытательной камере в условиях радиационного эксперимента. Измеритель ВАХ разработан на базе отечественного четырехканального измерителя ИППП1/6. По сравнению с ИППП-1/6, чувствительность измерителя ВАХ по току повышена до 10 фА (в 10 раз). Также повышена его устойчивость при работе на емкостную нагрузку и на длинный кабель (для учета емкости цепей коммутатора). Для сокращения общей длины триаксиальных кабелей в составе комплекса, входные и выходные разъемы измерителя перенесены на заднюю панель, как видно из рисунка 1, б. На передней панели измерителя изображены схемы его подключения к матричному коммутатору, одна из которых предназначена для однопроводных, а другая для двухпроводных измерений, как показано на рисунке 1, а. Возможность использования любой из этих схем в режиме автоматизации предусмотрена в ПО COMPLEX. Остальные параметры измерителя ВАХ соответствуют параметрам ИППП-1/6. Поскольку в странах СНГ отсутствует опыт по разработке и производству матричных коммутаторов, основное внимание при создании комплекса было уделено вопросам построения коммутатора, вопросам задания конфигурации его узлов, вопросам контроля работоспособности большого количества герконов в составе коммутатора, вопросам его метрологического обеспечения и автоматизации проверки параметров узлов матрицы коммутации (5×48= 240). Коммутатор содержит четыре модуля коммутации (5×12), в каждом из которых имеется (5×12 = 60) сдвоенных герконных реле, установленных в узлах матрицы, и 5 таких же реле для изоляции узлов по линиям (А, В, С, D, Е).

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Изолирующее реле замыкают, если должен быть замкнут хоть один из подсоединенных к нему узлов. Всего коммутатор содержит 5×48=240 узлов, параметры которых необходимо периодически проверять, путем их измерения и 240+5×4=260 сдвоенных герконных реле, то есть всего 260×2=520 герконов, работоспособность которых необходимо периодически контролировать [2]. Выход каждого из 4х источников–измерителей (ИИ), входящих в состав измерителя ВАХ, соединен с соответствующей линией матрицы коммутации ( A, B, C, D). При этом линия E служит для передачи нулевого напряжения, как показано на структурной схеме комплекса, представленной на рис. 2. ИИ формируют испытательные сигналы тока (напряжения) на линиях коммутатора в диапазонах ±0,2 А (±120 В) и одновременно, с высокой чувствительностью (10 мкВ, 10 фА), измеряют ответные сигналы напряжения (тока), возникающие на соответствующих линиях.

Выходы 48-ми портов коммутатора выполнены на клеммниках разъемных 15EDGRC-3.8103P, рис. 1, б. Применение клеммников позволяет использовать триаксиальные или более доступные коаксиальные кабели в зависимости от условий тестирования и требований к скорости и точности измерений. Основные параметры коммутатора, определяющие его влияние на погрешность измерений, приведены в табл. 1. Таблица 1 Ток смещения канала коммутации Напряжение смещения через 5 мин. после замыкания реле Сопротивление изоляции Сопротивление канала коммутации

≤0,2 нА ≤0,2 мВ ≥10 ГОм ≤2 Ом

Команды управления коммутатором соответствуют стандарту SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments). Это позволяет использовать коммутатор самостоятельно (с внешним ПК), однако, для автоматизации измерений, следует разработать соответствующее программное обеспечение. Образец комплекса изготовлен в единичном экземпляре для автоматизации проверки микроэлектронных изделий на радиационную стойкость в центре коллективного пользования «Радиационный центр». Литература

Рисунок 2 – Структурная схема комплекса

1. Лисенков Б.Н, Грицев Н.В. Методы и средства контроля параметров полупроводниковых изделий в процессе радиационного воздействия. Материалы 7-й МНК по военно-техническим проблемам обороны и безопасности. Минск. – Часть 1. – С. 174–181. 2. Лисенков Б.Н., Грицев Н.В., Бруек А.А. Проверка метрологических характеристик матричного коммутатора // Сборник научных статей 1-й МНТК «Опто-, микро- и СВЧ-электроника – 2018», Минск. – С. 82–85.

УДК 629.7.054 ДВУХОСНЫЙ СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Лихошерст В.В., Родионов В.И. ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» Тула, Российская Федерация Современный летательный аппарат (ЛА) имеет сложную систему бортового электрооборудованя (ЭО), в которой особое место занимают электрические приводы (ЭП). К электроприводам ЛА предъявляются гораздо более высокие требования, чем к наземным, т. к. их работа происходит в условиях постоянно изменяющихся управляющих и возмущающих воздействий. В докладе рассматривается двухосный следящий ЭП, работающий в режиме стабилизированного наведения, т. е. в совмещенном режиме

наведения и стабилизации (компенсации качки ЛА). Такой ЭП (рис. 1) имеет платформу, наружную рамку и электрические двигатели (ЭД) по осям карданова подвеса. Чувствительными элементами ЭП являются оптико-электронные датчики (ОЭД) и гироскопы, установленные на платформе [1]. На рис. 1 приведены следующие обозначения: НП – направление полета ЛА; ЗЛВ – заданная линия визирования, связанная с наблюдаемым объектом; (а,b/x,y) и (3/2) – преобразователи

47

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

напряжения из двухфазной вращающейся системы координат асинхронного ЭД в неподвижную трехфазную; Х0Y0Z0 , Х1Y1Z1 , Х2Y2Z2 – системы координат, связанные с ЛА, наружной рамкой и платформой соответственно; У2 ,Z2 ,

ЛУ ,ЛZ , 0X , 0Y , 0Z – проекции абсолютных угловых скоростей платформы, ЗЛВ и ЛА; Y ,Z , A ,B – проекции пеленга платформы и ЗЛВ; ,  – проекции углового отклонения платформы относительно ЗЛВ.

JY d 2 b d   1,5 zkΨ RX i SY  cos  B dt 2 cos  B dt  J Y d ЛY   b( ЛY   OY  cos  B dt cos  B    sin  B )  ( J Y 1  J X 2 )[   OX sin  A   OZ

d 

sin  B  ( ЛZ  dt cos  A ) ЛY tg  B / cos  B ];

di k L SX  Ri SX  Ψ RX  ω k Li SY  K P (Ψ З -Ψ RX ); dt TR L

di SY d A  Ri SY  ω k Li SX  kz  RX  dt dt  W У 2  W ;

(1)

dΨ RX  Ψ RX  Lm i SX ; dt d kRR iSY  (ωk  z A )Ψ RX , dt TR

где

Рисунок 1 – Схема двухосного следящего ЭП: 1 – наружная рамка; 2 – платформа; 3 – ЭД переменного тока; 4 – азимутальный гироскоп; 5 – ОЭД; 6 – гироскоп угла места; 7 – ЭД постоянного тока; 8, 10 – регулятор; 9, 11 – датчик угла

В последние десятилетия трбования к качеству ЭО ЛА привели к усложнению методов управления и исследования ЭП. В работе используется метод декомпозиции, основанный на принципе «наведение-стабилизация», в котором в качестве первого приближения при оценке динамики многоосной следящей системы используются ее кинематические уравнения [1]. Для двухосного ЭП, приведенного на рис. 1, кинематические уравнения имеют следующий вид [1]:  A 

 ЛУ  0 X cos  A tg B  0Y  0 Z sin  A tg B ; cos  B

JY –

приведенный момент инерции; J Y 1 , J X 2 – моменты инерции наружной рамки и платформы; b – коэффициент вязкого трения; z – число пар полюсов ЭД; k – конструктивный коэффициент ЭД; Ψ RX – проекция потокосцепления ротора; Ψ з – заданное потокосцепление ротора; i SY , i SX – проекции тока статора; L, R – индуктивность и активное сопротивление статора; L m – взаимная индуктивность между статором и ротором; Т R , R R – постоянная времени и активное сопротивление ротора; W  , W  – передаточные функции контура гироскопа и ОЭД; ω k – скорость вращающения системы координат ЭД. В уравнениях (1) угловая скорость     OX

Пеобразуем уравнения (1) к виду, удобному для исследования. Запишем уравнение для потокосцепления ротора при пропорциональном коэффициенте K P  R L m  k T R и без учета перекрестной составляющей тока i SY , в преобразованиях по Лапласу в виде колебательного звена 2 2 (Т  p  2 Т  p  1)Ψ RX  Ψ З ,

 B   ЛZ   0 X sin  A   0 Z cos  A . При такой декомпозиции динамическая модель погрешнотей двухосного следящего ЭП в первом приближении распадается на две независимые системы уравнений по каждому каналу наведения. Рассмотрим динамику ЭП с трехфазным асинхронным двигателем (АД), имеющим полеориетированное векторное управление. Уравнения движения двухосного следящего ЭП по азимутальному каналу наведения запишем в следующем виде [2]:

48

cos  A sin  A   OZ . cos  B cos  B

где

T 

RTS TR Lm K P

;  

R(TS  TR ) 2 TS T R Lm K P

; TS

(2) 

L R

.

Предположим, что Ψ RX =const, тогда T  0 и уравнение АД принимает следующий вид:  L R(T S p  1)i SY   Lp  TR 

 i SY  W У 2  W    

 zL RX L   RX  A p   z  k  A p2.  Lm  kRR 

(3)

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

В первом приближении динамические процессы, создающие противо-ЭДС, можно не учитывать. Тогда уравнение (3) принимает вид R / (T / p  1)i SY  W У 2  W   С Е  .

/

где k AMD 

k M  AMD U2 T / p 1

1,5 zkΨ RX i SY R/

,

k0 (TK p  1) /

(5)

.

отрицательную обратную связь по току iSY с ко-

k i k 0  R / ,

k i . Тогда при условии, что передаточная

принимает вид W АЭП где

Ti 

T /R/ k0 ki

; K

функция

M K   U 2 Ti p  1

1,5 zkΨ RX ki

Ti 

T/ k0

.

в прямой цепи уравнения АЭП с ОС по

R p

Для уменьшения постоянной времени T / в асинхронном электроприводе (АЭП) введем эффициентом

ki  R / ;

При изодромном корректирующем устройстве

 L    RX .  z  k  Lm  

Замечаем, что уравнение (4) аналогично уравнению двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением, в котором магнитный поток в переходном режиме отстает от тока якоря, т. к. его обмотка возбуждения имеет постоянную времени, большую по величине, чем постоянная времени якорной обмотки. В АД такое отставание может быть уменьшено за счет увеличения добротности по контуру потокосцепления ротора. Из уравнений (4) получаем передаточную функцию АД, работающего в режиме асинхронного моментного датчика (АМД). W AMD 

ной времени Ti :

(4)

При условии, что TS  T R , получаем: R /  R ; T  2TS ; C E

связи k i выбираем из условия сохранения общего коэффициента передачи и уменьшения постоян-

АЭП

,

.

Коэффициент прямой цепи k 0 и обратной

току будут иметь следующий вид: (T / p  1)i SY 

k 0 (TK p  1) R/ p

(U 2  k i i SY ).

При условии, что TК  T , передаточная функция АЭП будет иметь вид апериодического звена: /

KИ M ,  U2 TИ p  1 / где K И  1,5 zkΨ RX ; T И  R . k k k 0 i

i

Принимаем k i  R , тогда для уменьшения по/

/ стоянной времени ( TИ  T ) необходимо обеспе-

чить k 0  1 / T . Таким образом, характеристики АЭП при указанном подходе к реализации обратных связей прилижаются к характеристикам ДПТ с параллельным возбуждением. /

Литература 1. Родионов В.И. Декомпозиция и метод исследования гироскопических систем, использующих принцип «наведение-стабилизация» // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 301–310. 2. Кожеуров М.А., Родионов В.И. Информационноизмерительная система стабилизации и наведения с асинхронным трехфазным электродвигателем // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 7: в 2-х ч. Ч1. – Тула: Из-во ТулГУ, 2016. – С. 123–129.

УДК 531.385 ДИНАМИКА ИНДИКАТОРНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА НА ДАТЧИКАХ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Малютин Д.М. ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» Тула, Российская Федерация На борту летательного аппарата (ЛА) для стабилизации положения в пространстве полезной нагрузки применяется двухосный индикаторный гиростабилизатор (ГС). Задача повышения точности ГС является актуальной [1–7]. Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации как «Honeywell», «SYSTRON DONNER», «Goodrich Corporation» (США), DST CONTROL AB (Швеция), Controp

(Израиль), ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет имени А.Н. Туполева», МГТУ имени Баумана, МАИ(Россия). Целью работы являются исследования динамики ГС на датчиках угловой скорости. Для достижения поставленной цели предложена структура построения усилительно преобразующего тракта ГС на основе датчиков угловой скорости. Уравнения движения ГС на датчиках

49

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

угловой скорости представлены в работе [5]. На рисунке 1 приведены ЛАФЧХ разомкнутого контура стабилизации ГС массой 1 кг по каналу наружной рамки. При этом в контуре стабилизации применено корректирующее звено Wkz1 ( p)  (Tkz1 p  1) / p с параметром Tkz1  0,006c . На частоте среза обеспечены запасы устойчивости по фазе 430 и по амплитуде -10 дБ.

в переходном режиме уменьшена в 4 раза. В канале внутренней рамки также последовательно с традиционно используемым звеном

Wkz 2 ( p)  (Tkz 2 p  1) / p устанавливается дополнительное корректирующее звено с передаточной функцией вида

Wkz 6 ( p)  (Tkz 2 p  1)(Tkz 7 p  1) / p(Tkz8 p  1) , что позволяет уменьшить погрешность стабилизации.

Рисунок 1 – ЛАФЧХ разомкнутого контура стабилизации

График ЛАФЧХ замкнутого контура стабилизации приведен на рисунке 2. Значение ЛАЧХ замкнутого контура стабилизации в полосе пропускания составляет -41 дБ. Реакция на единичное возмущающее ступенчатое воздействие 1Нм приведена на рисунке 3. Время переходного процесса в системе не превышает 0,035 с. С целью повышения точности системы в контуре стабилизации предлагается последовательно с традиционно используемым звеном Wkz1 ( p)  (Tkz1 p  1) / p установить дополнительное корректирующее звено с передаточной функцией вида

Рисунок 2 – ЛАФЧХ замкнутого контура стабилизации

Wkz 5 ( p)  (Tkz1 p  1)(Tkz 5 p  1) / p(Tkz 6 p  1) с параметрами Tkz 5  0,001 с, Tkz 6  0,0001c . В этом случае ЛАФЧХ разомкнутой системы приобретает вид, представленный на рисунке 4. За счет введения дополнительного корректирующего звена удается увеличить коэффициент усиления по контуру стабилизации при обеспечении запасов устойчивости по фазе 43 град и -6 дБ по амплитуде. ЛАФЧХ замкнутой системы при установке дополнительного корректирующего звена представлена на рисунке 5. Из приведенных графиков видно, что значение ЛАЧХ замкнутого контура стабилизации, например на частоте 1 рад/с, составляет -93 дБ. График реакции в контуре стабилизации на единичное ступенчатое возмущающее воздействие при установке дополнительного корректирующего звена представлен на рисунке 6. В установившемся режиме погрешность стабилизации отсутствует. Из приведенных графиков следует, что погрешность стабилизации

50

Рисунок 3 – Реакция на единичное ступенчатое возмущение

Рисунок 4 – ЛАФЧХ разомкнутого контура стабилизации

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

которая предложена в работе, позволяет повысить точность функционирования двухосного индикаторного управляемого ГС на датчиках угловой скорости. Литература

Рисунок 5 – ЛАФЧХ замкнутого контура стабилизации

Рисунок 6 – Реакция на единичное ступенчатое возмущение

Заключение. Реализация усилительно-преобразующих трактов контуров стабилизации ГС,

1. Малютин, Д.М. Комбинированная двухосная гировертикаль / Д.М. Малютин // Авиакосмическое приборостроение. – 2005. – № 3. – С. 6–10. 2. Патент РФ на полезную модель № 120491 МПК G01C 10/00. Двухосный индикаторный гиростабилизатор / М.Д. Малютина, Д.М. Малютин. – Опубл. 20.09.2012. 3. Пельпор, Д.С. Расчёт и проектирование гироскопических стабилизаторов / Д.С. Пельпор, Ю.А. Колосов, Е.Р. Рахтеенко. – М.: Машиностроение, 1972. – 325 с. 4. Малютин, Д.М. Управляемый гиростабилизатор повышенной точности на микромеханических чувствительных элементах /Д.М. Малютин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2018. – № 6. – С. 326–339. 5. Малютин Д.М. Динамические характеристики управляемого гиростабилизатора на датчиках угловой скорости / Д.М. Малютин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2018. – № 6(332). – С. 126–141. 6. Гордиенко, В.И. Двухосный гиростабилизатор поля зрения на микроэлектромеханических гироскопах / В.И. Гордиенко, А.Г. Голуб // Механiка гiроскопiчних систем. – 2014. – № 28. – С. 45–49. 7. Распопов, В.Я. Гироскопы в системах гироскопической стабилизации / В.Я. Распопов, Д.М. Малютин, Ю.В. Иванов // Справочник. Инженерный журнал с приложением. – 2009. – № 7 (148). – С. 52–58.

УДК 621.382 БАЗОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ ОДНОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1, Свистун А.И.1, Жуковский П.2,Тявловский А.К.1, Тявловский К.Л.1, Шадурская Л.И.1 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь 2 Люблинский технический университет Люблин, Польша

1

Измерительные преобразователи современных интеллектуальных систем оптической диагностики должны автоматически оценивать параметры оптического сигнала и переключаться между различными диапазонами энергетической и спектральной характеристик чувствительности, осуществлять пространственный контроль измеряемых параметров Даже при использовании многофункциональных фотоэлектрических преобразователей это требует применения нескольких фотоприемников и сложных алгоритмов обработки измерительных сигналов. В основе предлагаемых для построения измерительных преобразователей систем оптической

диагностики фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) лежит физическая интеграция процессов внутри объема чувствительного элемента. При этом, относительная сложность физических процессов при перезарядке нескольких энергетических уровней многозарядной глубокой примеси позволяет реализовать многофункциональность фотоэлектрического преобразователя при простой конструкции чувствительного элемента [1]. Физической основой работы объемно перезаряжаемых светом или электрическим смещением структур является изменение времени жизни и подвижности неравновесных носителей заряда в результате их перераспределения по уровням ре-

51

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

комбинации и прилипания многозарядной примеси. Причем для полупроводников с примесью акцепторного типа изменение постоянных времени жизни и рекомбинации достигает нескольких десятичных порядков [1]. В фотоприемниках, слабо легированных рядом примесей с акцепторными свойствами, примесь формирует два или три глубоких уровня в нескольких зарядовых состояниях. При этом характеристики приборной структуры с глубокими многозарядными примесями определяются, в основном, характером рекомбинационных процессов через уровни примеси. Такая структура представляет собой по существу функциональный преобразователь, в котором взаимосвязь нескольких параметров, характеризующих оптический измерительный сигнал, дает возможность функционального выражения одной физической величины через другую и использования прибора в качестве фотоприемника для сравнения интенсивностей излучения в разных спектральных диапазонах, детектора длины волны монохроматического излучения, координатно-чувствительного элемента и др. [2]. Характеристиками: функциональностью и параметрами ФЭП можно управлять выбором структуры и материала основного полупроводника, технологией изготовления, режимами питания и смещения, дополнительным оптическим излучением. Структура многофункционального датчика, используемого в составе измерительных преобразователей систем оптической диагностики, может включать совокупность одного или нескольких конструктивно объединенных чувствительных элементов, размещенных в зоне действия нескольких физических величин, а также формирующих соответствующие сигналы посредством преобразовательных (передаточных) функций. Для управления функциями преобразования и переключения между поддиапазонами измерения используются различные управляющие сигналы и воздействия (рисунок 1). Высокие метрологические характеристики, а в ряде случаев и сама возможность выполнения достоверных измерений, реализуются при учете и компенсации дополнительных внешних и внутренних факторов, непосредственно не входящих в измерительный сигнал S. В измерительном преобразователе системы оптической диагностики сигнал с выхода ФЭП поступает на входы микроконтроллера МК, содержащего встроенные узлы АЦП, ЦАП, адаптеры интерфейсов для связи с остальными узлами системы оптической диагностики. МК выполняет формирование управляющих сигналов для изменения режимов работы и питания ФЭП, может производить и простые операции предварительной обработки информации, в том числе, в зависимости от результата предыдущих процедур из-

52

мерения. Формирование сигналов управления может производиться или только под действием программы, или в зависимости от сигналов датчиков состояния окружающей среды и внутренних узлов измерительного преобразователя. Выходным сигналом измерительного преобразователя является совокупность значений измерительного сигнала D, содержащая информацию о значимых параметрах образа S* входного оптического сигнала S. Объект контроля

Помехи, засветка

S (J, , , ...) Измерительный преобразователь

N

ФЭП ФЭП ФЭП Photo-Electric Photo-Electric Photo-Electric Converter Converter Converter

S0

UR

АЦП

МК

JR, R

Interface

Управление

Возбуждение

D(S*)

Глобальные внешние и внутренние факторы

Датчики

Рисунок 1 – Схема многофункционального измерительного преобразователя системы оптической диагностики

S0 Возбуждение

МК 1

D(S*)

Глобальные внешние и внутренние факторы

SJ ФЭП J UR

МК J

JR, R

Управление

Рисунок 2 – Схема многофункционального измерительного преобразователя на нескольких микроконтроллерах

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Увеличение количества обрабатываемых информационных сигналов и существенное усложнение алгоритма измерительной процедуры делает целесообразным построение измерительного преобразователя на базе нескольких микроконтроллеров с двухуровневой иерархической структурой. При этом каждый микроконтроллер обрабатывает измерительную и управляющую информацию, относящуюся к одному фотоэлектрическому преобразователю или одному типу ФЭП. Электрически микроконтроллеры могут быть соединены между собой магистральным или радиальным интерфейсами, а логически управление микроконтроллерами и общим процессом измерения целесообразно организовать в конфигурации «звезда». Интерфейс измерительного преобразователя с информационно-измерительной системой можно организовать через любой из микроконтроллеров, но удобнее это сделать с использованием главного микроконтроллера, например МК 1, управляющего общим алгоритмом измерения (рисунок 2). При этом главный микроконтроллер будет освобожден от многочисленных и разнообразных частичных алгоритмов выполнения процедур измерения каждого из функциональных ФЭП. Общая задача обработки измерительного сигнала S разбивается на несколько J частных задач измерения сигналов SJ. Обработка данных об изменении неинформационных факторов и выработка сигналов управления возбуждением самого объекта контроля может быть возложена как на главный микроконтроллер МК1, так и на один из МК нижнего иерархического уровня. Благодаря разделению задач измерения многопараметрического информационного сигнала на несколько групп с одним

или малым числом параметров и параллельному разделению их обработки между несколькими микроконтроллерами на выходе каждого из микроконтроллеров в каждый момент времени присутствует информация о результате измерения по каждой частичной группе параметров SJ, что существенно снижает время измерения информационного сигнала S. Несмотря на простоту конструкции ФЭП на основе полупроводников с собственной фотопроводимостью, на их основе можно построить ряд многофункциональных одноэлементных сенсоров, чувствительных к нескольким параметрам оптического излучения и к другим воздействующим факторам [2]. Оптимальная структура многофункционального измерительного преобразователя может включать совокупность нескольких чувствительных элементов, размещенных в зоне действия нескольких физических величин, формирующих соответствующие сигналы, обрабатываемых мультипроцессорной иерархической схемой обработки измерительной информации. Литература 1. Vorobey, R.I. / R.I. Vorobey, O.K. Gusev, A.K. Tyavlovsky, K.L. Tyavlovsky, A.I. Svistun, L.I. Shadurskaya, N.V. Yarzhembitskaya, K. Kierczynski // Photoelectric semiconductor converters with a large dynamic range. // Przeglad electrotechniczny, – Nr 5/2014, – Pp. 75–78. 2. Воробей, Р.И. Измерительные преобразователи систем оптической диагностики с многофункциональными фотоприемниками / Р.И. Воробей, О.К. Гусев, А.И. Свистун, А.К. Тявловский, К.Л. Тявловский, Л.И. Шадурская // Приборы и методы измерений, 2018. – № 3. – С. 215–226.

УДК 003.26.004.7.004.9 МОДЕЛИРУЮЩИЙ СТЕНД ИССЛЕДОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГРАЖДАНСКОГО ВОЗДУШНОГО СУДНА Медведев Н.В. Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Москва, Российская Федерация Введение. Объектом исследования являются средства защиты информации комплексов связи и навигации самолета, обеспечивающие безопасность всех этапов полета гражданского воздушного судна. В статье представлен разработанный в МГТУ имени Н.Э. Баумана программно-моделирующий стенд исследования подсистемы информационной безопасности (ИБ) воздушного судна, обеспечивающий разработку имитационных моделей угроз информационной безопасности элементов, оценку ИБ оборудования воздушного судна [1]. Программно-моделирующий стенд демонстрирует безопасную работу элементов оборудования ВС, позволяя осуществлять мониторинг их

технического состояния. Разработанное программное обеспечение (ПО) стенда исследования ИБ гражданского воздушного судна позволяет провести комплексирование элементов программного осуществлять мониторинг работы средств защиты информации (СЗИ) на всех этапах полета. Исследования, проведенные в МГТУ имени Н.Э. Баумана в ходе выполнения ряда НИР сделали возможным сформулировать следующие требования к стенду исследования информационной безопасности воздушного судна: Моделирующий стенд. Стенд исследования ИБ воздушного судна представляет собой программный имитатор, моделирующий потоки

53

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

угроз безопасности совместно с функционированием СЗИ, противодействующим таким угрозам. Имитация осуществляется в соответствии с математическим аппаратом теории массового обслуживания (Queue Theory). Анализ показывает, что несмотря на огромное разнообразие различных инструментов для проведения имитационного моделирования, получили преимущественное распространение имитационные модели и их реализация на GPSS. Моделирование на GPSS содержит большие потенциальные возможности для формализованного описания и имитационного моделирования защищенных бортовых вычислительных систем (БВС) [2]. Для описания явлений распространения деструктивных воздействий на автоматизированные системы бортовых компьютерных сетей предлагается использовать модель распространения разрушающего программного кода в автоматизированных системах. Как известно, БВС летательного аппарата (ЛА) представляют собой многопроцессорную систему согласно действующим нормативным документам, разрушающее программное воздействие (РПВ) на которые есть изменение состояния автоматизированной системы, вызванное выполнением кода специально созданного программного субъекта или совокупности таких субъектов, не обладающих свойством репликации. Разрушающий программный код (РПК) представляет собой машинную реализацию разрушающего программного воздействия. РПК может поступить в среду бортовых ВС ЛА по каналам радиосвязи и навигации ЛА. Согласно международным стандартом, эффективность защиты информации определяется классом защищённости автоматизированной системы (АС). Класс защищённости, в свою очередь, определяет набор механизмов защиты (МЗ), которые должны быть реализованы в АС. Такой подход к оценке эффективности защиты информации не позволяет учитывать качество самих МЗ, констатируя лишь факт их наличия или отсутствия, также вне критериев оценки остаётся такое понятие, как изменение условий функционирования СЗИ. Примерами таких изменений могут служить модификация аппаратной и программной среды, изменение условий информационного взаимодействия объектов и субъектов защиты, числа пользователей системы, возникновение информационных конфликтов в АС. Существуют методы, позволяющие выполнять количественную оценку защищённости информации при использовании СЗИ. Количественно защищённость информации оценивается, как правило, рядом вероятностных показателей, основной из которых – некий интегральный показатель [3]. В общем случае СЗИ представляется в виде сетевой модели или сети массового обслуживания

54

(СМО), рис. 1, состоящей из некоторого набора средств защиты Si. На вход средств защиты поступают потоки запросов НСД, определяемые моделью нарушителя на множестве потенциальных угроз {Ui}. Каждое из средств защиты отвечает за защиту от угрозы определённого типа и использует соответствующий защитный механизм. Его задача состоит в том, чтобы распознать угрозу и заблокировать несанкционированный запрос.

Рисунок 1 – Концептуальная модель СЗИ от НСД

В результате функционирования системы защиты исходный поток НСД разрежается, образуя выходной поток. Входные потоки несанкционированных запросов обозначены как Vi(t), i = {1, ..., n}, а потоки нераспознанных (пропущенных) системой защиты НСД – Vi'. Факт неполного закрытия системой защиты всех возможных каналов проявления угроз учитывается отсутствием для m входных потоков средств защиты, что означает Vi'(t) = Vi(t). Потоки запросов на НСД, поступающие по i-м каналам, разрежаются с вероятностями pi(y), которые зависят от используемого способа обнаружения и блокирования НСД. На выходе СЗИ образуется выходной поток – объединение выходных потоков i-средств защиты и потока НСД-запросов, приходящих по m неконтролируемым каналам. Каждое средство (механизм) защиты характеризуется вероятностью пропуска НСД – q и, соответственно, вероятностью обеспечения защиты (отражения НСД) p = 1 - q. Нарушитель характеризуется вектором интенсивностей λ = {λ1, λ2, ... λ i+m} попыток реализации соответствующих угроз U1…Ui+m. Для реализации системного подхода к решению проблемы обеспечения информационной безопасности необходимо комплексное использование методов моделирования систем и процессов защиты информации. Цели такого моделирования: поиск оптимальных решений управления МЗ, оценки эффективности использования средств и методов защиты и т.п. [3]. Представим модель СЗИ, показанную на рисунке 1 в виде функциональных блоков, объединенных в три группы, соответствующие трем основным объектам моделируемой системы: «Нарушитель», «СЗИ» и «Защищаемые ресурсы». Модель показана на рисунке 2.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Рисунок 2 – Имитационная модель СЗИ от НСД

«Нарушитель» – это первый блок модели, в общем случае он не подвергается входному воздействию. Задача функционирования этого блока – генерация потока (потоков) запросов НСД (транзактов) с заданной интенсивностью λ. Согласно модели нарушителя, разработанной ранее, злоумышленник пытается реализовывать разные угрозы защищённости информации с соответствующими интенсивностями [4]. Блок «СЗИ» имитирует функционирование СЗИ от НСД (МЗ). Элементы этого блока могут имитировать очереди запросов НСД на входах МЗ, задержки на обслуживание, выход МЗ из строя (аппаратной части) и т.д. Однако главная задача функционирования этого блока – отсеивание запросов НСД с определённой (заданной) вероятностью. Последний блок модели – «Защищаемые ресурсы» – не выполняет самостоятельных функций и может быть использован в имитационной модели для уничтожения запросов НСД (транзактов). Таким образом, для построения имитационной модели СЗИ от НСД представляется целесообразным использование следующих функциональных блоков: – генератора транзактов – для имитации поступления запросов НСД; – блока задержки – для имитации обработки МЗ поступающих запросов НСД; – очереди – для имитации буфера запросов каждого из МЗ; – блоков уничтожения транзактов – для уничтожения запросов НСД (как пропущенных, так и отсеянных МЗ).

В бортовых ОС реального времени, где задержки в ряде систем критичны для работы, следует подбирать СЗИ таким образом, чтобы в случае возникновения внештатной ситуации задержки не влияли на работу системы. Для этого можно либо закладывать дополнительные мощности в СЗИ, либо использовать дублирование. Следует заметить, что, несмотря на приведённое выше общее описание системы, в данных моделях не рассматриваются угрозы, не покрываемые СЗИ: в реалиях бортовой ОС РВ оставлять какиелибо каналы незащищёнными нельзя [3]. Необходимость такого подхода обоснована приведёнными в другом разделе требованиями безопасности. Также, согласно им, в данных моделях считается, что разные СЗИ полностью независимы друг от друга, поскольку в ином случае компрометация одного СЗИ означала бы уязвимость во всём классе СЗИ. Заключение. В целом, результаты моделирования позволяют подтвердить правомерность требований безопасности высокого уровня, а также позволяют оценить разные варианты построения системы ИБ бортового оборудования, позволяя комбинировать разные варианты использования СЗИ, исходя из известных данных об источниках угроз, имеющихся в распоряжении мощностей и топологии сети. Тестовые сценарии стенда нацелены на демонстрацию безопасного взаимодействия между доменами Авионики и Внешней средой. Эти сценарии созданы при помощи двух мультидоменных приложений, разработанных специально для проекта. Они используют БД, размещённые в домене среднего уровня защищённости. Такой сценарий может иметь место и в процессе эксплуатации. Литература 1. Интернет – ресурс: www.aviasafety.ru/crash-stat, последний доступ – 25.08.2017. 2. Интернет-ресурс: Документы, airspot.ru/library/ dokumenty-ikao, последний доступ – 20.08.2019. 3. Интернет-ресурс: Управление инспекции по безопасности полетов РФ. www.dvmtufavt.ru/upload/medialibrary/, последний доступ – 20.08.2019. 4. Интернет-ресурс: www.consultant.ru/popular/air/. Последний доступ 25.07.2019.

УДК 681.5:0049 МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИМИ ПРОФИЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ПАЙКИ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ Достанко А.П., Ланин В.Л., Хацкевич А.Д. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Минск, Республика Беларусь По мере увеличения сложности электронных модулей растет плотность монтажа поверхностно монтируемых компонентов. Обеспечение качест-

венных паяных соединений вызывает необходимость в технологии и оборудовании групповой пайки компонентов на плате. Современная техно-

55

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

логия инфракрасной (ИК) пайки обеспечивает высокую скорость нагрева, возможность точного соблюдения заданного термопрофиля, что обеспечивает высокое качество паяных соединений с плотным поверхностным монтажом, при сохранении высокой произ-водительности. При ИК пайке наиболее важными контролируемыми параметрами являются: темпе-ратура предварительного нагрева платы, темпера-тура пайки, время пайки, состав паяльной пасты, скорость охлаждения [1]. Основным фактором, обеспечивающий качество паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов в процессе монтажа электронных модулей является правильный выбор источника нагрева. Применение ИК источников позволяет осуществить локальный нагрев, уменьшить время нагрева платы и снизить риск повреждения электронного компонента. Для выбора источников ИК нагрева необходим анализ тепловых полей, оценка влияния расстояния от нагревателя до печатной платы на равномерность и скорость нагрева. Для проведения процесса пайки поверхностно монтируемых компонентов применена ИК паяльная станция с микроконтроллерным управлением, структурная схема которой приведена на рис. 1. В конструкции предусмотрено переменное использование двух типов верхних нагревательных блоков с возможностью их быстрой замены. Установка нагревателей производится так, чтобы их нагревающая поверхность располагалась над зоной пайки. Нижний нагреватель, предназначенный для предварительного нагрева печатной платы до температуры 130–170 °C с целью защиты печатной платы от термоудара, включает в себя две галогенные лампы КИ 220–1000, отражатель и теплорассеивающую пластину.

В станции применен микроконтроллер семейства AVR Atmega 328P, имеющий 8-ми битный процессор и обладающий всей необходимой периферии. Особенностью микроконтроллера является высокая производительность, низкое энергопотребление, RISC архитектура позволяющая выполнять до 131 команд за один тактовый цикл. Применение микроконтроллера позволяет автоматизировать процесс пайки с соблюдением заданного термопрофиля для различных составов паяльных паст, что в свою очередь обеспечит качество паяных соединений. Для удобства оператора измеренная температура, а также текущие режимы пайки отображаются на жидкокристаллическом дисплее (ЖКИ), расположенном на передней панели станции (рисунок 2). Структурная схема блока управления ИК станции представлена на рисунке 3. Использование твердотельного реле дает возможность гибко управлять температурой инфракрасной пайки в соответствии с заданным термопрофилем.

Рисунок 2 – Установка ИК пайки с верхним средневолновым керамическим излучателем

Рисунок 1 – Схема ИК паяльной станции: 1 – SMD компоненты; 2 – паяльная паста; 3 – плата

Система охлаждения включает три вентилятора, два из которых размещены на поверхности корпуса для охлаждения паяемого модуля и верхнего нагревателя и одного, установленного внутри корпуса для охлаждения нижнего нагревательного блока.

56

Рисунок 3 – Схема управления термопрофилей инфракрасной пайки

Модуль термопары измеряет температуру с точностью 0,25 °С и диапазоном от 0 до 1025 °С. Данные термопрофилей для различных типов

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

припоев хранятся в памяти микроконтроллера которые могут быть переданы по USB на компьютер для обработки полученных данных. Термопара типа ХК присоединяется к контактной площадке контрольного образца припоем с более высокой температурой плавления, чем температура пайки электронного модуля. Исследованы термопрофили ИК пайки SMD компонентов при мощности нижнего нагрева 1000 Вт с применением ИК нагревателей в ближней ИК области (0,7–1,5 мкм) – галогенная ИК лампа накаливания КГМ 30/300 и в средней области (2–10 мкм) – керамический ИК нагреватель Elstein SHTS/4.

С помощью компьютера получены термопрофили процесса пайки для различных режимов процесса пайки бессвинцовыми припоями (рисунок 4). Установлено, что с применением инфракрасной активации и мощности нагрева электронных компонентов 350 Вт процесс пайки стабилизируется, что обеспечивает равномерный и необходимый прогрев, при этом рост температуры составил 5 % (10 °С) по сравнению с пайкой без токовой активации, что эквивалентно увеличению мощности с 35 до 50 Вт. Исследование температурных полей галогенной лампы накаливания свидетельствует о высокой неравномерности процесса, когда максимальная скорость нагрева 20–22 °С/с достигается на расстоянии 4–7 мм от центра исследуемого печатного модуля. Керамического ИК нагреватель показал в среднем одинаковую скорость нагрева на уровне 3–4 ºС/с на расстоянии 25 мм от центра, но при этом скорость нагрева снизилась в 5–7 раз в сравнении с галогенной ИК лампой. Литература

1 – 10 мм; 2 – 20 мм; 3 – 30 мм; 4 – 40 мм Рисунок 4 – Температурно-временные зависимости: для керамического ИК нагревателя при расстояниях до платы

1. Ланин, В.Л. Электромонтажные соединения в электронике: технология, оборудование, контроль качества / В.Л. Ланин, В.А. Емельянов. – Минск: Интегралполиграф, 2013. – 406 с. 2. Ланин, В.Л. Применение инфракрасного нагрева для монтажа и демонтажа поверхностно монтируемых компонентов / В.Л. Ланин, А.И. Лаппо, Т.Э. Лавор // Технологии в электронной промышленности, 2015. – № 3. – С. 60–62.

УДК 53.082.74 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СРАВНЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Мисюкевич Н.С. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Среди технических причин возникновения пожаров тепловое проявление электрического тока наиболее опасно. Большинство пожаров возникает при загорании изоляции электрических проводников. Принято указывать, что пожар произошел при коротком замыкании электрической проводки. Процесс же может развиваться постепенно: при протекании сверхтока в результате перегрузки происходит размягчение (плавление) изоляции, изменяются ее геометрические размеры, и она перестает осуществлять надежную диэлектрическую изоляцию жил электропроводника; в месте нагрева выделяются продукты пиролиза; образуется паразитная электрическая цепь между жилами; происходит закорачивание жил с тепловым импульсом, который воспламеняет продукты пиролиза и рядом расположенные горючие вещества и материалы. Для предотвращения пожароопасного проявления электрического тока электрические сети

защищают используя аппараты защиты. Основной характеристикой аппаратов защиты является их токовременная характеристика (ТВХ), которая показывает время отключения аппаратом защиты электрической сети в зависимости от значения кратности сверхтока. Для кабельных изделий (кабелей, проводов, шнуров) также может быть определена ТВХ. Своевременно отключение будет обеспечиваться, если будет предотвращаться нагрев изоляции до пожароопасных значений, т. е. температуры размягчения (плавления) изоляции (рис. 1). На рис. 1 продемонстрированы различные области взаимного расположения ТВХ аппаратов защиты и кабельных изделий. Если ТВХ аппарата защиты (линия 1) располагается левее ТВХ кабельного изделия (линия 2), то при значениях сверхтока, соответствующих данной области взаиморасположения ТВХ, аппарат защиты обеспечит пожаробезопасность изоляции при

57

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

протекании сверхтока. Если ТВХ аппарата защиты (линия 1) располагается правее ТВХ кабельного изделия (линия 2), то при значениях сверхтока, соответствующих данной области взаиморасположения ВТХ, аппарат защиты не обеспечит пожаробезопасность изоляции при протекании сверхтока.

сети до пожароопасного нагрева изоляции проводников. Метод сравнения ТВХ может быть применен к определенной серии аппаратов. Следует учитывать, что для оценки пожаробезопасности необходимо рассматривать правую границу области ТВХ аппаратов защиты. Нахождение ТВХ кабельных изделий внутри области ТВХ аппаратов защиты свидетельствует о вероятностном характере возможной защиты и значение неопределенности не может быть установлено теоретически. На рисунке 2 приведены совмещенные ТВХ аппаратов защиты и кабельных изделий.

Рисунок 1 – Токовременная характеристика: 1 – ТВХ аппарата защиты; 2 – ТВХ кабельного изделия; tоткл. – время отключения аппарата защиты; tнагр. – время нагрева изоляции; I/Iн.вст. – кратность сверхтока для отключения аппарата защиты; I/Iн – кратность сверхтока при нагреве изоляции

ТКП 121-2008 [1] рекомендовано для проверки правильности выбора аппарата защиты, надежности и эффективности защиты провода (кабеля) от аварийных режимов сопоставить ТВХ защитную характеристику аппарата защиты с токовременной тепловой характеристикой кабеля (провода). ТВХ аппаратов защиты дается в технической документации производителей и представляет область, заключенную между двумя линиями для серии аппаратов определенной марки. Данная область представляет множество значений ТВХ, которым соответствует любой аппарат защиты этой серии в зависимости от особенностей производства и изменении свойств в процессе эксплуатации. ТВХ конкретного аппарата может определяться путем испытаний. ТВХ кабельных изделий отсутствует в технической документации производителей. Применяемая методика выбора проводников по условиям нагрева не учитывает толщину изоляции, которая существенно сказывается на условиях теплопереноса от жилы в окружающую среду при протекании сверхтока. Исследования, проведенные в рамках Государственной научно-технической программы «Защита от чрезвычайных ситуаций» по заданию «Исследовать пожарную опасность электрических проводок и обосновать пути ее снижения» показали, что выбранные по существующим методикам проводники и аппараты защиты могут не обеспечивать предотвращение воспламенения изоляции при протекании сверхтока. Исследованные аппараты защиты эффективно защищают от воспламенения изоляцию исследованных проводников при кратности сверхтока до 1,6. При более высокой кратности сверхтока не все аппараты защиты обеспечат отключение

58

Рисунок 2 – Совмещенные ТВХ кабельных изделий и автоматических выключателей на 25 А (тип С) Аппараты защиы: Полюс, ИЭК, ЭТП, Moeller, ЭКФ. Кабели: ВВГ 2×2,5; ПУНП 2×2,5; ПУГНП 2×1,5; ВВГ 2×1,5

Аппаратура защиты электрических сетей может проверяться на согласованность по ТВХ с проводниками для обеспечения условия пожаробезопасности их эксплуатации, как путем экспериментального определения ТВХ кабельной продукции, так и путем их теоретического расчета. Для теоретического расчета может использоваться динамика теплового проявления электрического тока [2]: «Для замкнутой тепловой системы скорость роста температуры v при протекании электрического тока зависит от материала проводника и является величиной прямо пропорциональной квадрату плотности тока δ».

v  Кп   2

(1)

Коэффициент пропорциональности Кп образуется величинами характеризующими физические свойства материала проводника: ρ – удельное

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

электрическое сопротивление; с – удельная теплоемкость; r – плотность. Кп 

 cr



(2)

Для определения ТВХ кабельных изделий решается система уравнений, определяющих процесс теплопереноса от проводника в окружающую среду. Безопасность элетрических сетей может быть обеспечена или за счет их отключения аппаратами защиты до выхода проводников на пожароопасный режим, или за счет уменьшения токовой нагрузки системами автоматического регулирования.

ВТХ кабельных изделий следует рассматривать как их основную эксплуатационную характеристику, подлежащую установлению при постановке продукции на производство и оформлении сопроводительной технической документации. Литература 1. Пожарная безопасность. Электропроводка и аппараты защиты внутри зданий. Правила устройства и монтажа: ТКП 121-2008 (02300). – Введ. 01.05.2008. 2. Мисюкевич, Н.С. Закон динамики теплового проявления электрического тока / Н.С. Мисюкевич // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. – Химки: ФГБОУ ВПО АГЗ МЧС России. 2011. – № 4. – С. 41-44.

УДК 004.942 СИНТЕЗ ДИСКРИМИНАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ПОМЕХ Артемьев В.М., Наумов А.О. Институт прикладной физики НАН Беларуси, Минск, Республика Беларусь Введение. Основной тенденцией развития радиолокации является переход к многоканальным РЛС, что позволяет повысить объем и качество получаемой информации. Одним из путей реализации этой тенденции являются многолучевые РЛС [1], которые можно разделить на две группы: с разнесенными и совмещенными лучами. В первом случае лучи разнесены на угловые расстояния порядка их ширины, сформирована веерная диаграмма направленности и обработка сигналов производится отдельно по каждому из лучей [2]. Во втором случае используется набор совмещенных лучей с общим фазовым центром и обработка сигналов производится одновременно для всех лучей [3]. Использование большего числа лучей позволяет реализовать угломерный дискриминатор с управлением его параметрами в реальном масштабе времени с целью улучшения условий захвата объекта на сопровождение, точности измерения угловых координат и помехозащищенности. Задача работы состояла в разработке метода параметрического синтеза характеристик дискриминатора, способствующих улучшению качества сопровождения в многолучевой РЛС с амплитудным мгновенным сравнением сигналов. Формулировка задачи. Следящие РЛС с амплитудным мгновенным сравнением сигналов строятся исходя из принципа формирования равносигнального направления, который реализуется посредством дискриминатора, преобразующего принятые сигналы в угловые данные. Основные свойства дискриминатора определяются дискриминационной характеристикой (ДХ), типичная форма которой D() изображена на рис. 1.

Рисунок 1 – Дискриминационная характеристика

Угол   0 соответствует равносигнальному направлению на объект и в его районе ДХ имеет линейный участок с крутизной наклона k g  D()   0 , называемой коэффициентом преобразования дискриминатора. Ширину ДХ целесообразно определять точками ее первого пересечения с нулевой осью слева 1 и справа 2 от равносигнального направления   0 (см. рис. 1). В таких точках обратная связь системы сопровождения меняется с отрицательной на положительную, что делает систему неработоспособной. Многолучевая антенна формирует n лучей с автономными выходами. Полагаем, что лучи лежат слева и справа от оси   0 . Форма диаграммы каждого луча f i (   i ), i  1, n, считается известной четной функцией относительно своей оси, направленной под углом  i . Кроме того, полагаем, что она нормирована по амплитуде, т. е. fi (0)  1 . В настоящей работе рассматривается метод синтеза ДХ в РЛС с амплитудной мгновенной обработкой сигналов, когда на выходе приемных каналов они имеют вид:

yi ()  u fi ( i )  vi , i  1, n .

(1)

59

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Здесь первое слагаемое является информативной частью сигнала с амплитудой u, а слагаемое vi определяет случайные шумы канала (индекс момента времени измерения не указан). Полагается, что характеристики приемных каналов идентичны, поэтому амплитуды u во всех каналах одинаковы. Алгоритм синтеза дискриминационных характеристик аддитивных дискриминаторов. Уравнением аддитивного дискриминатора являn

ется сумма z ()   K i yi () , где вещественные i 1

весовые коэффициенты Ki определяют вес каждого из сигналов и позволяют формировать желаемые характеристики дискриминатора. Дискриминационная характеристика определяется для случая, когда vi  0 [3], и задается выn

ражением D()  u  Ki fi (  i ) или в векторном i 1

виде: D()  uf T () K ,

(2)

где K   K1 , K n T , f ()   f1 (  1 ),

f n (   n ) .

T

Задача состоит в разработке метода нахождения весовых коэффициентов Ki , обеспечивающих желаемую форму и параметры ДХ. В основе метода синтеза лежит выбор критерия оптимальности. В настоящей работе критерием оптимальности служит минимизация суммы квадратов ве-

K  P T  PP T  φ . 1

(4)

А выражение для дискриминационной характеристики имеет вид:

D()  uf T () P T  PP T  φ . 1

(5)

Результаты моделирования. Полагаем, что форма диаграмм направленности всех лучей одинакова и описывается гауссовой функцией

f ()  e9,2 , ширина которой на уровне 0,1 вы2

брана равной единице, а число лучей и ограничений выбрано равным четырем, т. е. n  m  4 . Моделирование производилось при заданных угловых смещениях лучей, равных 1  0,3, 2  0,1, 3  0,1, 4  0,3. Угол 1 был выбран равным 0,5 , а угол 2 задавался значениями 0, 25, 0, 5 и 0, 75, что должно показывать возможность формирования нулевых значений ДХ в заданных направлениях. Для нахождения оптимальных значений весовых коэффициентов Ki и построения функций ДХ использовались выражения (4) и (5). На рис. 2 изображены кривые относительных значений ДХ D() u для выбранных параметров.

n

совых коэффициентов J 0   K i2 , которая соотi 1

ветствует

условию

минимизации

шумов на выходе дискриминатора

дисперсии n

K v i 1

i i

при

одинаковых дисперсиях статистически независимых шумов на выходах приемников [4]. При этом необходимо выполнить ряд условий, которые в векторной форме могут быть записаны в виде: PK  φ.

(3)

где

P

f1 (1 )

f n ( n )

p21

p2 n

pm1

pmn

Минимизация суммы

, φ   1 ,

n

K i 1

2 i

m  , 1  0 T

 K T K осуществля-

лась методом Лагранжа [5] с учетом линейных ограничений (3). В результате получено следующее выражение для оптимальных весовых коэффициентов

60

Рисунок 2 – Дискриминационные характеристики при значениях

1  0,5 и различных значениях 2

Полученные результаты подтверждают возможность формирования ДХ с заданными параметрами. Заключение. Использование многолучевых РЛС позволило расширить возможности радиолокации путем управления параметрами угловых дискриминаторов в реальном масштабе времени. Разработан метод параметрического синтеза дискриминационных характеристик с желаемыми параметрами, такими как коэффициент преобразования, ширина и значения функции в заданных дискретных точках. Результаты могут быть использованы при создании новых или модернизации существующих РЛС для подавления влияния внешних помех.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности Литература 1. Черняк, В.С. О новых и старых идеях в радиолокации: MIMO РЛС / В.С. Черняк // Успехи современной радиоэлектроники. – 2011. – № 2. – С. 5–19. 2. Многолучевые радиолокаторы в составе охранных комплексов / под ред. И.К. Антонова. – М.: Радиотехника, 2017. – 210 с.

3. Sherman, S.M. Monopulse Principles and Techniques / S.M. Sherman, D.K. Barton. – Boston : Artech House, 2011. – 395 p. 4. Bunday, B.D. Basic Optimization Methods / B.D. Banday. – London: Hodder Arnold, 1984. – 136 p. 5. Сизиков, В.С. Математические методы обработки результатов измерений / В.С. Сизиков. – СПб. : Политехника, 2001. – 240 с.

УДК 621.3.049 ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1, Колтунович Т.2, Свистун А.И.1, Тявловский К.Л.1, Шадурская Л.И.1 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь 2 Люблинский технический университет Люблин, Польша

1

Позиционно-чувствительные фотодетекторы (ПЧФ) находят широкое применение в приборах измерения линейных и угловых перемещений [1]. Измерительные преобразователи на основе матричных фотоприёмников (ПЗС- или КМОПматриц) имеют хорошие метрологические характеристики, однако не способны одновременно контролировать X, Y координаты и удаленность Z объекта измерения без дополнительных оптикомеханических звеньев или использования мощных DSP процессоров. Решением этой проблемы в ряде случаев может быть использование одноэлементных полупроводниковых фотоприёмников [2]. Принцип действия такого фотоприёмника основан на использовании особенностей характеристик полупроводниковой структуры, которые обеспечивают зависимость параметров выходного сигнала от местоположения светового пятна относительно центра симметрии ПЧФ по трём координатам. Работа прибора основана на использовании при формировании измерительного сигнала латеральной фото-ЭДС для определения X и Y координат светового пятна, а для определения Z координаты сфокусированного светового пятна изображения объекта диффузионно-дрейфовых процессов в базе диодной или транзисторной структуры [3, 4]. Такая приборная структура имеет 5 контактов для снятия сигнал X и Y координат и 2 контакта для формирования сигнала о Z-координате светового пятна изображения объекта (рисунок 1). Алгоритм работы трёх-координатного ПЧФ на первом этапе измерения X и Y координат светового пятна включает их совмещение методом электронной компенсации с началом координат, а на втором этапе – измерение Z координаты. В качестве основы для изготовления макета ПЧФ использовалась эпитаксиальная структура 20 КЭФ 1,8 . 200 КЭС 0,01

На высокоомной стороне структуры формировался гетеропереход с использованием пиролитического осаждения оптически полупрозрачной пленки SnO2. Омические контакты создавались напылением алюминия с последующим вжиганием. 2*

3 1*

1

2 y 3*

0

x z

Рисунок 1 – Структура трёх-координатного позиционно-чувствительного фотодетектора

На рисунке 2 приведены экспериментальные координатно-чувствительные характеристики приборной гетероструктуры ПЧФ. Индексы напряжений фото-ЭДС соответствуют номерам контактов структуры на рисунке 1. Как видно, X, Y координатные зависимости измерительного сигнала линейны во всем диапазоне чувствительности ПЧФ. Изменение начала отсчета (смещение нулевого значения X, Y координат) может быть выполнено путем приложения дополнительного электрического смещения к соответствующим контактам структуры. Экспериментальная структура кремниевого ПЧФ характеризовалась шумами на уровне 10 мкВ, поэтому при измерениях использовалось импульсное освещение структуры, а регистрация сигналов производилась на переменном токе. На рисунках 3 и 4 приведены координатная для оси z и спектральные характеристики кремниевой структуры ПЧФ. Координатная характеристика чувствительности ПЧФ структуры nSnO2-nSi-Al по оси z (рисунок 3) приведена как зависимость фото-ЭДС

61

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

между электродами 3–3* от расстояния между плоскостью фокусировки изображения объекта, сформированной объективом, и поверхностью слоя SnO2. Из экспериментальных характеристик ПЧФ следует, что характер изменения сигнала (крутизна характеристики и абсолютное значение фото-ЭДС) и полуширина координатных зависимостей определяются длиной волны и спектральным составом освещения (1 –  = 550 нм; 2 –  = 720 нм; 3 – «белый» свет от галогеновой лампы на рисунке 3). U,

U33* (z)

U22* (y)

i=2×10-6A

отн.ед.

i=0 i=-2×10-6A x, y, z mm

-1

-3

1

0

-2

2

i=2×10-6A

U11* (x)

i=0 i=-2×10-6A

Рисунок 2 – Характеристики чувствительности Si трёх-координатного ПЧФ при  = 550 нм U33*, отн.ед. 3

2 1

2 -3

-2

-1

0

1

3 z, mm

Рисунок 3 – Зависимости фото-ЭДС приборной гетеро структуры nSnO2-nSi-Al от положения плоскости сфокусированного изображения объекта относительно поверхности структуры (со стороны SnO2): 1 –  = 550 нм; 2 –  = 720 нм; 3 – «белый» свет 100

U33*, отн.ед.

Анализ характеристик полученной структуры по сравнению с характеристиками изотипных гетеропереходных структур, например, SnO2-nGeAl, позволяет предположить, что ее эквивалентная схема образована двумя встречно включёнными последовательно соединёнными диодами Шоттки. Очевидно, что на границе раздела SnO2 - Si имеется большая плотность поверхностных состояний, обусловленных несоответствием постоянных кристаллических решеток SnO2 и Si и наличием собственных поверхностных электронных состояний (ПЭС) кремния. Высокая плотность ПЭС, в свою очередь, приводит к большой скорости поверхностной рекомбинации и малой величине сигнала, по сравнению со структурой с идеальной границей раздела. Малой величине сигнала (отношению сигнал/шум) способствует и малое время жизни носителей заряда в низкоомной области кремниевой структуры. Сигнал фото-ЭДС приборной структуры кремниевого ПЧФ в области длин волн 600-1100 нм определяется поглощением света на межзонных переходах в кремнии, а инверсия сигнала фотоЭДС при длинах волн менее 600 нм связана с поглощением света в слое SnO2. Таким образом, исследованные характеристики приборной структуры показывают возможность её использования в качестве основы для построения одноэлементных трёхкоординатных позиционно-чувствительных фотоприёмников для контроля положения изображения источника оптического излучения видимого и ближнего ИКдиапазонов. Улучшение характеристик ПЧФ возможно за счет оптимизации характеристик материала базы приборной структуры и технологии формирования изотипного гетерослоя с целью увеличения времени жизни носителей заряда в базе и снижения плотности поверхностных состояний на границе раздела гетероперехода. Такие приборы могут найти применение в многофункциональных измерительных преобразователях [3–5] систем оптической диагностики. Литература

-1

10

10-2 600

800

1000

1200 , нм

Рисунок 4 – Спектральная характеристика чувствительности кремниевого ПЧФ

Из рисунка 4 видно, что при энергии квантов света более 2,05 эВ (  600 нм) знак фото-ЭДС изменяется на противоположный (полярность сигнала указана относительно слоя SnO2).

62

3. Масол И.В. Информационные нанотехнологии / И.В. Масол, В.И Осинский, О.Т. Сергеев. – Киев: издво Макрос, 2011. – 560 с. 4. Ермаков, О.Н. Прикладная оптоэлектроника / О.Н. Ермаков. – М.: Техносфера, 2004. – 416 с. 5. Гусев О.К., Тявловский К.Л., Воробей Р.И., Свистун А.И., Шадурская Л. И. Фотоприемники на основе собственных полупроводников для построения измерительных преобразователей. // Метрология и приборостроение. – 2017, № 2. – С.34 – 42. 6. Воробей, Р.И. Измерительные преобразователи систем оптической диагностики с многофункциональными фотоприемниками / Р.И. Воробей, О.К. Гусев, А.И. Свистун, А.К. Тявловский, К.Л. Тявловский, Л.И. Шадурская // Приборы и методы измерений, 2018. № 3. – С. 215-226.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 7. Vorobey, R.I. Photoelectric semiconductor converters with a large dynamic range / R.I. Vorobey, O.K. Gusev, A.K. Tyavlovsky, K.L. Tyavlovsky, A.I. Svistun,

L.I. Shadurskaya, N.V. Yarzhembitskaya, K. Kierczynski // Przeglad electrotechniczny, – Nr 5. 2014, – Pp. 5-78.

УДК 004.942 РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ПРИ МАЛЫХ ОТНОШЕНИЯХ СИГНАЛА К ШУМАМ Артемьев В.М., Наумов А.О. Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь Введение. Обработка радиотехнических измерений с целью обнаружения сигналов объектов и измерения их координат осуществляется на основе теории статистических решений [1]. Одним из способов решения задачи при малых значениях отношения сигнала к шумам (ОСШ) является использование способа сопровождения перед обнаружением (track before detect), когда текущие измерения координат способствует обнаружению за счет накопления необходимой информации вдоль траектории сопровождения [2]. В имеющихся публикациях по решению таких задач рассматриваются случаи обработки лишь непрерывных сигналов. При этом в основе метода решения лежит теория фильтра частиц [3] на основе апостерирного статистического подхода. Случай обработки бинарных сигналов в имеющихся публикациях не рассматривается, в то время как он играет определенную роль в практике радиотехнических измерений. Содержание данной работы касается рассмотрения возможностей решения задачи при бинарных сигналах в условиях малых значений ОСШ и отсутствии априорной статистической информации. Формулировка задачи. Измерения в радиолокации осуществляются путем сканирования пространства по координатам дальности, радиальной скорости и угловым координатам. Первоначально сканирование проводится в пределах априорно выбранного диапазона измеряемого параметра с интервалом  0 . Сканирование повторяется периодически с периодом T0 0 и за это время значения параметров могут изменяться. Выходной сигнал приемника в пределах интервала  0 обрабатывается пороговым устройством, преобразующим непрерывный сигнал в бинарный. При малых ОСШ появляются шумовые сигналы, которые при бинарном представлении будут неотличимы от полезного. Выходом из этой ситуации может быть использование принципа эвристической самоорганизации процесса решения путем одновременной обработки всех имеющихся сигналов, и последующей селекции результата, максимально удовлетворяющего признакам объекта [4]. При интервале разрешения сигналов значительно меньшем интервала сканирования би-

нарные сигналы можно рассматривать как последовательность случайных точек на оси координат (рис. 1). На этом рисунке горизонтальная ось является осью относительного непрерывного времени t. Дискретные моменты времени k=0, 1, 2… являются началом интервалов сканирования  0 . Значения координат x статистически независимых случайных точек откладываются на вертикальной оси в диапазоне от xmin до xmax . Изменение координат объекта показано штриховой линией. В местах ее пересечения вертикальными линиями отмечено положение точек объекта xok . Поскольку вероятность превышения порога бинаризации сигналом объекта меньше 1, то имеют место пропуски точек объекта, которые определяются как замирания полезного сигнала.

Рисунок 1 – Положения случайных точечных сигналов

Сущность метода обнаружения состоит в формировании всех возможных траекторий, проходящих через точки. По мере роста числа измерений осуществляется последовательный отбор траекторий, максимально соответствующих траектории объекта вплоть до единственной, появление которой является фактом обнаружения. В качестве признака отличия точек полезного сигнала от шумовых используется свойство коррелированности положений точек объекта по сравнению со статистической независимостью положений точек шумов. Решение задачи основано на нахождении весов каждой из траекторий на основе которых принимается решение об обнаружении. Уравнения весов траекторий. Каждая случайная точка j определяется посредством координат в q-мерном пространстве и задается в виде вектора

63

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

xk ( j )   x1k ( j ); x2k ( j );

T

xqk ( j )  ,

(1)

где j есть номер точки в момент k в пространстве с числом случайных точек nk ( j  1, nk ) . Построение всех возможных траекторий числом nk 1  nk производится следующим образом. От некоторой точки xk 1 (i) , i  1, nk 1 возможны nk участков траекторий в любую точку xk ( j ) ,

j  1, nk . Через неё будут проходить все nk 1 траекторий от других предшествующих точек. Вес этих траекторий (вес точки j в момент k) обозначим через pk ( j ) . Вес каждого перехода из точки i в точку j задаётся весовой функцией f k ( j | i) , равной единице, если координаты точек в моменты (k–1) и k равны, и убывающей с увеличением расстояния между точками. Траектория объекта коррелированна во времени и в среднем её точки, по сравнению с шумовыми, будут расположены ближе к предыдущим. Вследствие этого вес точек, через которые проходит траектория объекта будет в среднем выше, чем остальных, что и является признаком для решения задачи обнаружения. Введем в рассмотрение матрицу весовых функций Fk (nk | nk 1 ) случайной размерности

nk  nk 1 Fk (nk | nk 1 ) 

f k (1 | 1)

f k (1 | nk 1 )

f k (2 | 1)

f k (2 | nk 1 )

f k (nk | 1)

f k (nk | nk 1 )

.

(2)

Значения весов случайных точек в момент (k– 1) объединим в вектор: Pk 1 (nk 1 )   pk 1 (1), pk 1 (2),

pk 1 (nk 1 )  . (3) T

Вес каждой точки в момент k складывается из весов всех предыдущих точек с учётом весовых функций f k ( j | i) . Поэтому для вектора весов точек в этот момент можно записать следующее рекуррентное уравнение:

Pk (nk )  ak Fk (nk | nk 1 ) Pk 1 (nk 1 ) ,

(4)

где ak – коэффициент, обеспечивающий нормировку к единице весов pk ( j ) : 1

(5)

В начальный момент времени k  0 веса всех точек можно полагать одинаковыми и равными p0 (i)  1 n0 .

64

drk  er  urk  drk  er ,

(6)

где d rk – ожидаемое регулярное смещение, а er – максимальное значение относительных смещений соответствующей координаты. Полагаем, что весовая функция f k ( j | i) представляется в виде произведения локальных весовых функций rk ( j | i) по каждой из координат nk

xrk ( j ) , r  1, q : f k ( j | i )   rk ( j | i ) . При разноr 1

стях координат равных нулю ( xrk ( j )  xrk 1 (i) ) величина каждой локальной весовой функции должна быть равна единице в пределах диапазона urk , а на остальных интервалах равна нулю. В силу коррелированности траектории объекта, факт его обнаружения связан с моментом начала устойчивого формирования траектории. Первоначально осуществляется построение всех возможных траекторий с последовательной селекцией той, что возможно принадлежит объекту. В качестве критерия селекции используется превышение ее веса над остальными, т.е. условие max pk ( j ) . Чтобы обнаружить наличие объекта j

используется критерий завязки траектории, в качестве которого целесообразно использовать критерий типа n из m (n/m) [5]. Для рассматриваемой задачи он соответствует критерию решения об обнаружении, если из числа n последовательно найденных точек максимальной траектории m  n точек удовлетворяют условию нахождения их координат в пределах диапазона (6). Определение характеристик обнаружения, например среднего времени появления этого события, аналитически затруднено в силу того, что матрица (2) является случайной. Литература

ak   1  Fk (nk | nk 1 )  Pk (nk )  .   T

Критерии селекции траекторий и обнаружения объекта. В теории эмпирической самоорганизации [4] вид весовых функций и их параметры задаются исходя из имеющихся эмпирических представлений о характере изменения траектории объекта. Обычно оно основано на предположении о диапазоне изменения координат xrk ( j ) , r  1, q за интервал от k–1 до k, что определяет ширину весовых функций. Этот диапазон находится в пределах

1. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982, 624 с. 2. Hadzagic M., Michalska H., Lefebvre E. Track-before detect methods in tracking low-observable targets: A survey // Sensors Trans Mag 54 (1), 2005, pp. 374–380. 3. Blackman S.S. Multiple-target tracking with radar applications. MA: Artech House, 1986, 464 p.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 4. Принципы самоорганизации / Сборник докладов. Редакторы: Хайнц фон Ферстер, Джордж У. Цопф. М.:Мир, 1966, 624 с.

5. Blackman S., Popoli R. Design and Analysis f Modern Tracking Systems. Artech House, Norwood, 1999, 1230 p.

УДК 53.08: 004 ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА МЕТОДОМ «ДИСК НА ПЛОСКОСТИ» Кулешов В.Н.1, Пилько В.В.2, Пилько В.В.2 Белорусский государственный университет Минск, Республика Беларусь 2 Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко» БГУ Минск, Республика Беларусь 1

В настоящее время весьма актуальной задачей точного машиностроения является сбережение энергии и ресурсов [1]. Одним из перспективных направлений решения задачи зарекомендовало себя использование новых материалов с модифицированным поверхностным слоем, либо с нанесенным на поверхность покрытием. Вследствие многофакторности процессов обработки и нанесения неизбежно возникает задача их оптимизации. В большинстве случаев задача сводится к поиску экстремумов износостойкости и коэффициента трения. Экспрессное определение этих важных величин позволяет интенсифицировать процессы оптимизации. Наметившиеся в последнее время тенденции перехода к наноразмерным структурам и тонким слоям [2] вынуждают повышать локальность методов измерения по поверхности и глубине материала. Унифицированные стандарты методов измерения износостойкости и коэффициента трения в настоящее время отсутствуют. Перспективным способом решения проблемы представляется унификация требований к испытуемым образцам и контртелу. Основным источником новой научной информации при исследованиях служит величина коэффициента трения, и диапазон ее изменения в зависимости от времени испытания. Среди используемых в настоящее время установок для трибологических исследований аналогами разработки могут послужить устройства для измерения коэффициента трения методом «индентор на диске» [3]. Величина силы трения, при этом, как правило, определяется путем регистрации величины изгиба упругой консоли, прижимающей индентор к поверхности вращающегося испытуемого диска. Измерение величины изгиба консоли производится, в основном, тензочувствительными датчиками. Главным недостатком этих машин трения при тестировании плоских образцов является проблема непостоянства коэффициента трения и скорости износа поверхностного слоя на различных испытуемых участках круговой траектории, вызывающая осцилляции полученных значений. Дополнительным недос-

татком метода является цикличность процесса, сопровождающаяся воздействием среды на сформированную ювенильную поверхность трека износа в промежутках между проходами индентора. Сопутствующим конструктивным недостатком является отклонение формы трека от геометрической окружности при изгибе консоли. При использовании «пальчиковых» образцов возникают проблемы постоянства траектории, изготовления образцов сложной формы и точности ее воспроизведения. Наиболее близким по конструкции и принципу действия к разработанному прибору является модифицированный трибометр Шкоды–Савина [4], реализующий механизм трения и износа «диск – плоский образец», при котором сила трения определяется путем регистрации величины деформации упругой стойки, удерживающей образец. Основным недостатком данного устройства является смещение пятна контакта контртела с образцом при изгибе стойки. При разработке измерительного комплекса основное внимание было уделено устранению перечисленных выше недостатков. Установлено, что для решения поставленных задач наиболее эффективным методом исследования коэффициента трения и износостойкости является контакт вращающегося диска (контртело) и неподвижной плоскости (образец) при сохранении неизменными основных параметров испытаний и положения пятна контакта. Схематично конструкция испытательного блока прибора представлена на рисунке 1. Измерение коэффициента трения реализуется с повышенной точностью и локальностью за счет жесткого фиксирования пятна контакта на образце О при любых изменениях коэффициента трения в процессе испытаний. При этом узел нагружения Н и крепления образца выполнен жестким, а диск Д вместе с двигателем привода СД смонтированы в виде единого узла привода, вращающегося на оси и застопоренного упругой тензометрической пластиной Т.

65

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

лены зависимости коэффициентов трения от времени испытания, полученные в процессе оптимизации состава и условий реактивного магнетронного нанесения наноструктурированных покрытий Ti–Zr–Si–N на стали 12Х18Н10Т. Толщина покрытий выбиралась одинаковой и не превышала 1,5 мкм, а парциальное давление реактивного газа (азота) увеличивалось в ряду А – В – С с заданным шагом.

Рисунок 1 –Конструкция испытательного блока: О – образец; Д – диск; Н – нагрузка; СД – синхронный двигатель; Т – тензодатчик

Конструктивно результат достигается за счет того, что генерируемая в паре трения сила изгибает стопорящую узел упругую пластину, при этом пятно контакта образца с контртелом остается неподвижным. Участок образца, подвергаемый трению и износу, не смещается, трение постоянно происходит на ювенильной поверхности образца, и коэффициент трения характеризует взаимодействие между контртелом и материалом, не подвергнутым воздействию среды. В результате применения устройства осцилляции величины сигнала от тензомоста, обусловленные смещением пятна контакта устраняются, и при неизменных характеристиках регистрирующего прибора повышается соотношение сигнал/шум. Это увеличивает точность измерений, позволяет снижать испытательные нагрузки и подвергать исследованию поверхностные слои микронной и субмикронной толщины с высокой локальностью измерений, как по глубине слоя, так и по его поверхности. Сигнал разбаланса тензомоста обрабатывается в режиме реального времени АЦП – платой ICP DAS PIO–821H, подключенной к системной шине персонального компьютера с установленным драйвером «PIO–821 Series Classic Driver» версии не ниже 1.0.1. Данные поступают в специально разработанную для трибологических испытаний программу регистрации напряжения «Tribology Logger 2013 v.1.00». Разработанный прибор характеризуется простой формой образца, возможностью использования смазывающих и охлаждающих агентов, широким диапазоном и высокой точностью контроля нагрузки и силы трения. Условия испытаний максимально приближены к реальным условиям эксплуатации, предусмотрена возможность получения характеристик процесса износа. В качестве примера реализуемых прибором возможностей при исследовании покрытий и модифицированных слоев на рисунке 2 представ-

66

Рисунок 2 –Зависимость коэффициента трения от времени испытаний для покрытий Ti–Zr–Si–N на подложке из нержавеющей стали 12Х18Н10Т

Установлено, что значения коэффициентов трения в зависимости от условий нанесения контролируются в широком диапазоне от 0,17 до 0,58. Наименьшими коэффициентами трения характеризуются покрытия, полученные в условиях недостатка азота (кривая A). Дополнительные исследования, осуществленные путем профилирования сформированных треков износа, позволили произвести оптимизацию трибологических свойств для многофакторного процесса нанесения наноструктурированных слоев. Литература 1. Приоритетные направления научных исследований Республики Беларусь на 2016-2020 годы, Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 12.03.2015 № 190. 2. Cavaleito A., De Hossou J. Т Nanostructured Coatings, Berlin, Springer-Verlag, 2006. 3. Гриб, В.В. Лабораторные испытания на трение и износ/ В.В.Гриб, Г.Е.Лазарев // М. Наука, 1968, 142 с. 4. Комаров, Ф.Ф. Программно–аппаратный комплекс для исследования процессов трения и износа методом «диск на плоскости» / Ф.Ф. Комаров, В.В. Пилько, В.Н. Кулешов // Приборы и методы измерений, 2016, Т. 7, № 3, С. 279–285.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК: 621.793 ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ Виленчиц Б.Б., Попов В.К. Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко» БГУ Минск, Республика Беларусь Процесс цементации происходит согласно реакциям, приведенным в порядке возрастания их скорости. H2 + CO = C (в Fe) + H2O,

(1)

2CO = C (в Fe) + CО2 ,

(2)

CH4 = C (в Fe) + 2H2 .

(3)

Реакция (3) протекает с другим углеродным потенциалом со скоростью, определяемой температурой и относительным уровнем метана (CH4), для получения «добавки» к углеродному потенциалу по реакциям (1) и (2). Реальный углеродный потенциал является результатом кинетического баланса между реакциями (1), (2) и (3). Реакции (1) и (2) могут работать в направлении обезуглероживания, в то время как реакция (3) протекает только в направлении науглероживания. Однако, чаще всего все три реакции работают в одном направлении, но с разной скоростью. Результирующий углеродный потенциал печной атмосферы определяется их кинетическим балансом. Таким образом углеродный потенциал в печной атмосфере может быть определен функцией содержания трех газов: окиси углерода (СО), диоксида углерода (CO2) и CH4. Наиболее распространенным способом измерения этих газов с точностью, требуемой в производственной среде, является технология инфракрасного газового анализа. Существенным недостатком для практического применения этой технологии является необходимость транспортировки образца печной атмосферы к анализатору. В последнее время во многих приложениях для контроля печной атмосферы широко используются кислородные зонды. Кислородный зонд является единственным сенсором, доступным для измерения газа на месте при науглероживании. Точность измерения углеродного потенциала кислородным зондом по существу такая же, как и при измерении CО2 или H2О. Все методы требуют измерения содержания CO. Кроме того, ни один из этих методов не может определить влияние на процесс цементации CH4 согласно реакции (3). Наконец, все описанные методы могут обладать собственными ошибками измерения. Так, например, измерения точки росы могут быть неточными из-за конденсации, либо наличия гигроскопических материалов в системе отбора проб газа. Кислородные зонды имеют другую проблему. Внешний электрод зонда должен быть хорошим

электрическим проводником, который обычно изготавливается из тугоплавкого металла. Тем не менее, металлы, которые могут быть использованы, имеют побочный эффект, действуя как катализатор разложения CH4 в точке измерения. Это приводит к увеличению ЭДС зонда. Причем величина ошибки возрастает с увеличением содержания CH4 в атмосфере. Этот эффект можно свести к минимуму путем выбора материалов, но остается значительная неопределенность в измерении кислорода в атмосферах, содержащих более 1 % CH4. Несмотря на то, что кислородные зонды удобны и отличаются малой инерционностью, они способны обеспечить точность измерений не более ± 0,17 % от величины содержания углерода на поверхности металла. В то время как для высокоточного науглероживания нужна точность ± 0,07 % C. На результат процесса науглероживания могут повлиять неучтенные изменения уровня CO и CH4. Любой из них может привести к заметным изменениям в результатах науглероживания, в то время как комбинации могут быть как самокомпенсирующимися, так и аддитивными. Конечным результатом является изменение профиля углерода. Изменение содержания СО при науглероживании напрямую влияет на точность углеродного потенциала, определенного с использованием кислородного зонда, инфракрасного анализатора CO2 или точки росы. Профиль на рисунке 1 показывает, что как глубина науглероживания, так и поверхностный углерод в значительной степени зависят от изменения СО. Не смотря на то, что уровень СО в эндогазе, как правило, относительно постоянен и составляет от 19 до 21 %, другие факторы могут привести к падению его уровня. Например, добавление 10 % от общего расхода эндогаза обогащающего или разбавляющего газа автоматически снизит содержание СО с 20 % до 18 %. Утечки в печи и загрузки с большой площадью поверхности также снижают уровень СО. Хотя уровень свободного CH4 в печной атмосфере трудно предсказать, для различных типов науглероживающих печей можно указать диапазоны [1]: ‒ от 1 до 7% для периодической встроенной закалочной печи, работающей при 925 °C, ‒ от 5 до 18% для конвейерной печи, работающей при 900 °C,

67

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

‒ от 0,1 до 2% для шахтной печи, работающей при 980 °C , ‒ от 2 до 15% для толкательной печи, работающей при 955 °C.

Рисунок 1 – Зависимость профиля углеродного потенциала от содержания СО

Рисунок 2 – Зависимость профиля углеродного потенциала от содержания СН4

Количество свободного CH4 в печи является функцией утечки в печи, каталитических свойств печи, температуры, площади поверхности загрузки и требуемого углеродного потенциала. В конечном счете, конечно, уровень свободного CH4 во многом является результатом количества обогащающего газа, добавляемого в атмосферу. При низких уровнях свободного CH4 (< 1 %) в печной атмосфере его эффекты можно смело игнорировать. Однако по мере увеличения содержания CH4 эффект постепенно становится более значительным, пока на уровнях более 10 % он не станет доминирующей силой цементации. В данном случае рассматривалось влияние содержания свободного CH4 в диапазоне от 0 до 5 %. Как показано на рисунке 2 изменение в содержании свободного CH4 оказывает гораздо большее влияние на результаты науглероживания, чем любой из других параметров.

Фактически, свободный CH4 является основной причиной изменения как глубины науглероживания, так и величины поверхностного углерода, наблюдаемого в процессе цементации. Основная причина, по которой кислородные зонды настолько популярны в настоящее время, заключается в том, что им не требуется транспортировка пробы газа из печи в газоанализатор анализатор. Действительно, неисправности могут возникать и случаются в системах отбора проб газов ИК-анализаторов, но риски можно минимизировать еще на стадии проектирования и монтажа системы, которая будет такой же надежной, как и кислородный зонд. Основными источниками потенциальных неисправностей при использовании инфра-красных газоанализаторов, являются конденсация воды в любом месте системы и склонность к образованию сажи в газоотборной трубке, когда образец проходит через стенку печи.. Осаждение сажи предотвращается сочетанием быстрого охлаждения образца и выбора материала зонда для пробы, проходящего через стенку, который должен быть достаточно гладким, чтобы предотвратить зарождение углеродных частиц. Хорошо подходят обычные трубки из кварцевого стекла. Системы отбора проб требуют использования фильтров. Для контроля расхода площади поверхности фильтра в системе отбора пробы могут использоваться датчики потока. Они могут показывать необходимость замены фильтрующих материалов. Газоаналитические многоточечные системы используются для снижения затрат на точку измерения и обычно конкурируют с системами на основе кислородного зонда. Но для повышения точности и снижения времени отклика измерений мультигазовая многоточечная система может объединяться с системой, использующей кислородные зонды. Литература 1. Grochowski J. New Facility and Improved Control System for Furnace Atmosphere Processing at Commercial Heat Treating Plant / J. Grochowski // Industrial Heating. – 1994. – № 9. – P 151–154.

УДК 531.383 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ВОЛНОВЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ГИРОСКОПОВ (ВТГ) С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ Распопов В.Я. ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» Тула, Российская Федерация По сравнению с другими типами гироскопов волновой твердотельный гироскоп (ВТГ) обладает следующими преимуществами: рабочий

68

ресурс достигает 15000 часов и более; небольшие вес и габариты (20–80 г при диаметре 10–40 мм); малая энергоемкость (несколько ВТ); малое время

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

готовности (1–5 с.); сохранение работоспособности при кратковременном (2–5 с.) отключении электропитания; способность выдерживать большие механические нагрузки; стойкость к ионизирующему излучению высокой энергии; высокое отношение – точность/себестоимость [1, 2 ,3]. Принцип работы ВТГ основан на эффекте инертности упругих волн во вращающихся осесимметричных телах, открытый в 1890 году Г.Х. Брайеном [4]. В ВТГ осесимметричным телом является резонатор (чувствительный элемент) (рис.1), в котором возбуждается упругая волна на 2-й моде колебаний с заданной амплитудой, которая стабилизируется с помощью системы автоматического управления амплитудой и фазой. Эта стоячая волна (рис.2) имеет четыре пучности а, g, е, с, расположенные на осях x, y и четыре узла b, h, f, d на осях x1, y1, в которых амплитуды колебаний максимальны и минимальны соответственно. Первая вибрационная мода 1, 2 показана для двух моментов времени относительно недеформированной кромки резонатора, которая к концу полупериода переходит от эллипса 1 к эллипсу 2. Вращение гироскопа вокруг оси z приводит к возникновению сил инерции Кориолиса, которые вызывают смещение вибрационных пучностей относительно окружности кромки резонатора. То есть вращение резонатора вызывает вторичные вибрации в форме эллиптической моды 3,4, для которой главные оси x1, y1 расположены под углом 45о к осям x, y. Вибрация проходит от эллипса 3 к эллипсу 4 в конце полупериода. По осям x1, y1 расположены измерители перемещений (детектирующие элементы) кромки резонатора, сигналы которых характеризуют угловую скорость и/или угол поворота вокруг оси z. По осям x1, y1 расположены измерители перемещений (детектирующие элементы) кромки резонатора, сигналы которых характеризуют угловую скорость и/или угол поворота вокруг оси z. Для металлического резонатора ВТГ хорошим выбором является сплав 21НКМТ-ВИ [5], получающий определенную структуру в результате цикла термической обработки, обеспечивающей необходимый баланс между инварными и элинварными свойствами, высокую добротность резонатора и линейные термоупругие свойства. Полусферическая и, отчасти, тороидальная формы резонаторов обладают важным свойством краевой локализации колебаний вблизи свободной кромки резонатора. Цилиндрический резонатор более прост в изготовлении, но в цилиндрической оболочке наблюдается, так называемый, вырожденный краевой эффект, который проявляется в уменьшении колебаний при удалении от свободной кромки резонатора. Ослабление этого эффекта достигается применением конструкции составного резонатора, который со стороны кромки

имеет цилиндрическую часть с большой толщиной по сравнению с цилиндрической частью, которую называют подвесом, сопрягаемой с донной частью резонатора.

а

б

в Рисунок 1 – Типовые формы резонаторов: а – «Стакан»; б – «Рюмка» («Бокал»); в – «Гриб»; 1 – резонатор; 2 –основание

Рисунок 2 – Схема расположения первичных и вторичных вибраций резонатора: 1, 2, 3, 4 – эллиптические моды

Составной цилиндрический резонатор имеет, так называемые, резонансные размеры, при которых совпадают частоты разных модульных пар. Эти частоты могут быть выявлены изменением в широких пределах, при расчете резонатора, отношений между диаметром, длинами и толщинами частей резонатора. Очевидно, что размеры конструкции резонатора должны находиться в промежутках между их «резонансными размерами». Дефекты изготовления резонатора приводят к расщеплению собственной частоты его рабочих колебаний по второй форме деформации на две близкие частоты. Такой дефект характеризуется разными значениями частот и ориентацией собственных осей и называется разночастотностью.

69

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Скорость затухания колебаний резонатора зависит от ориентации волны, то есть резонатор имеет различные декременты затухания и соответствующее им направление осей. Такой дефект резонатора называется разнодобротностью. Устранение (уменьшение значений) этих дефектов достигается балансировкой резонатора. Так как зона крепления (ножка, фланец) имеет повышенный уровень удельных потерь энергии колебаний, она должна быть расположена вне зоны рабочих колебаний резонатора. Необходимо обеспечить разнесение частот собственных колебаний резонатора от спектра частот, обусловленного узлом крепления. Для возбуждения первичной вибрации применяются электростатические, магнитоэлектрические, электромагнитные, пьезоэлектрические датчики силы и др., а также их комбинации. В качестве датчиков перемещений используются в основном электростатические, магнитоэлектрические, пьезоэлектрические, оптические преобразователи. Предпочтительно использование преобразователей работающих и как датчики перемещений и как датчики силы. Например, в пьезоэлектрических преобразователях используются прямой и обратный пьезоэффекты. ВТГ с металлическим резонатором может работать в режимах датчика угловой скорости (ВТГ-ДУС) и датчика угла (ВТГ-ДУ) [5, 6]. На рис. 3 в соответствии с рис. 2 приведена функциональная схема работы гироскопа в режиме силовой компенсации в предположении, что в качестве преобразователей используются пьезоэлементы 1 (a, b, c, d, e, f, g, h), расположенные на одной из торцевых поверхностей 2 резонатора (рис.1.1 б, в). Генератор 3 электрических сигналов возбуждает пьезоэлементы 1a, 1e, расположенные по оси X пучностей первой вибрационной моды. Измерительный блок 4 сравнивает амплитуду первой вибрационной моды с заданным значением и передаёт на генератор 3 сигнал рассогласования, обеспечивая режим регулирования амплитуды. Вторая вибрационная мода при вращении гироскопа ориентирована по осям X1, Y1. Измерительный блок 5 принимает сигналы с пьезоэлементов 1b,1f. Управляющий блок 6 принимает от блока 5 сигналы, пропорциональный амплитуде узла по оси X1 и формирует управляющий (компенсирующий) сигнал на пьезоэлементы 1d, 1h, расположенные по оси y1 (вторая ось узла второй вибрационной моды резонатора) для сведения к нулю амплитуды сигналов, детектированных блоком 5. Этот блок на основе компенсирующего сигнала вырабатывает сигнал, пропорциональный угловой скорости. Для работы в режиме ВТГ-ДУ необходимо отключить генератор. Резонатор работает на «вы-

70

беге» и в течение некоторого времени, пока фиксируется устойчивый сигнал на выходе, можно измерить угол поворота основания. Технические характеристики ВТГ-ДУС с металлическим резонатором сопоставимы с импортными образцами и могут быть применены в системах ориентации, стабилизации и навигации среднего класса точности [5, 7, 8].

Рисунок 3 – Функциональная схема электроники режима силовой компенсации: 1 – пьезоэлемент (8 шт.), 2 – резонатор, 3 – генератор, 4, 5 – измерительные блоки, 6– управляющий блок Литература 1. Chikovani V.V., Yatsenko Yu. A., Kovalenko V.A., Scherban V.I. Digitally controlled High Accuracy Metallic Resonator CVG//Proc/ Symposium Gyro Technology/ 2006 – Stuttgart. – P. 4.0 – 4.7. 2. Chikovani V.V., Yatzenko Yu. A.; Barbashov A.S., Kovalenko V.A.; Scherban V.I., Scerban V.I., Marusyk P.I. Metallic Resonator CVG Thermophysical Parameter Optimization and Temperature Test Results // Proc. Of XIV International Conference on Integreted Navigation Systems (28-30 May 2007. St-Petersburg). – St-Petersburg: “Electropribor”. 2007. – P. 74–77. 3. Chikovani V.V., Yatzenko Yu. A.; Barbashov A.S., et al. Improved accuracy metallic resonator CVG // Proc. of XV International Conference on Integreted Navigation Systems (26-28 May 2008. St-Petersburg). – St-Petersburg: “Electropribor”. 2008. – P. 28–31. 4. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985. – 125 с. 5. Распопов В.Я., Волчихин И.А., Волчихин А.И., Ладонкин А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В., Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором/ Под редакцией В.Я. Распопова. Тула: Издательство ТулГУ, 2018. –189 с. 6. Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов Ю.В. Прикладная теория гироскопов : учебник для вузов / Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов Ю.В. ; ГНЦ РФ ОАО Концерн "Электроприбор". – СПб., 2015. – 315 с. 7. Волчихин И.А., Волчихин А.И., Малютин Д.М., Матвеев В.В., Распопов В.Я., Телухин С.В., Шведов А.П. Волновые твердотельные гироскопы (аналитический обзор) // Известия ТулГУ. Технические науки.2017. Выпуск 9, ч. 2. – С. 59–79. 8. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации на МЭМСдатчиках.Тула : Издательство ТулГУ,2017. – 225 с.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 621.382 НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ДЕФЕКТОВ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ МЕТОДАМИ ЗОНДОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИИ Тявловский А.К.1, Жарин А.Л.1, Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1, Свистун А.И.1, Мухуров Н.И.2, Микитевич В.А.1 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь 2 ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерные системы» Минск, Республика Беларусь 1

Особенности контроля сенсорных структур, включающих проводящую подложку и покрытие из пористого анодного оксида алюминия (ПАОА), методами зондовой электрометрии определяются одновременным присутствием в пределах контролируемого участка слоев с проводящими и диэлектрическими свойствами. При этом физические основы и модели формирования измерительного сигнала электрометрического зонда при взаимодействием с проводниками и диэлектриками существенно различаются. В первом случае величина регистрируемого сигнала определяется разностью значений работы выхода электрона (РВЭ) проводника (как правило, металла) и электрометрического зонда. РВЭ является одной из фундаментальных характеристик твердого тела и не подвержена изменениям во времени или вследствие изменения факторов окружающей среды. В случае диэлектриков измерительный сигнал определяется плотностью и расположением статического электрического заряда в диэлектрике (в том числе связанного заряда диполей в случае полярного диэлектрика), который может являться функцией условий окружающей среды. В реальных условиях измерения плотность заряда в диэлектрике, как правило, претерпевает изменения во времени, а величина регистрируемого измерительного сигнала зависит от расстояния между электрометрическим зондом и зарядом в образце. Вследствие особенностей структуры (нанопористости) слой ПАОА склонен к накоплению электрического заряда, что, в частности, находит практическое применение в датчиках космической плазмы [1]. Схема взаимодействия электрометрического зонда с такой сенсорной структурой показана на рисунке 1. При измерениях исследуемая структура располагается на заземленном основании, вследствие чего потенциал проводящей металлической подложки тождественно равен нулю. Поскольку глубина проникновения электрического поля в металл ограничена Дебаевской длиной экранирования, составляющей для металлов единицы атомных слоев, толщина металлического слоя композитной структуры не имеет значения с точки зрения физико-математического моделирования и не учитывается в модели. Электрическое поле

в толще диэлектрика, напротив, является объектом моделирования. Обозначим толщину диэлектрического слоя ПАОА как d1, а его диэлектрическую проницаемость как εd. Расстояние между электрометрическим зондом и поверхностью проводящей подложки составляет d2. Измерения выполняются при нормальных условиях, диэлектрическая проницаемость воздуха в зазоре между электрометрическим зондом и поверхностью диэлектрического слоя составляет εa.

Электрометрический зонд

Qp

Воздушный зазор

εa d2

d1

Qs

εd

+++++++++++++++

b

V0

Диэлектрик ПАОА Подложка Al

Рисунок 1 – Схема взаимодействия электрометрического зонда с композитной структурой «алюминиевая подложка – ПАОА»

Обозначим плотность заряда в диэлектрике вблизи границы раздела как QS. Поскольку переход этого заряда в заземленную подложку в процессе измерений исключен, в модель введен фиктивный воздушный зазор b бесконечно малой величины, условно разделяющий границу раздела на две параллельные плоскости с плотностями заряда QS на верхней плоскости и 0 – на нижней. Объем диэлектрика при этом также, в общем случае, содержит некоторый заряд с объемной плотностью QV. Вследствие наличия контактной разности потенциалов (КРП) между материалами зонда и подложки и присутствия заряда плотностью QS и QV в зазоре d2 на поверхности электрометрического зонда также будет наводиться электрический заряд некоторой плотностью Qp. При измерениях по методу вибрирующего зонда Кельвина зазор d2 модулируется по закону d 2 (t )  d 0  d m cos t ,

(1)

где d0 – средняя величина зазора зонд - подложка; dm – амплитуда вибрации электрометрического

71

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

зонда; ω – частота вибрации электрометрического зонда. Поскольку воздух является однородной средой, электрические потенциалы в зазоре зонд – поверхность образца Va и фиктивном зазоре b Vb изменяются в соответствии с линейными законами

Va  K a1 x  K a 2 ;

(2)

Vb  K b1 x  K b 2 ,

(3)

где Ka1, Ka2, Kb1, Kb2 – некоторые константы. Значения констант можно найти, применяя к заряду в диэлектрике и воздушном зазоре теорему Гаусса и используя граничные условия:  Va (d 2 )  V0 V 0  V 0 d    b   V d  V    a 1 d  d1  ,  Vb  b   0  

Kd1 

QV d12 QS b QS d12 Q dd    V0  V 1 2 2 a a a a ;  d d1  d d 2 d b   d1  a a a

(4)

(5)

 Q d2 Qb Q d2 Q dd   d   V 1  S  V 1  V0  V 1 2  2 d a a  a  QV d1  K a1   . a   d d1  d d 2 d b  a    d1   a a   a

(7)

Наведенная плотность заряда на поверхности чувствительного элемента электрометрического зонда Qp может быть рассчитана на основании выражения (8)

Подставляя Ka1 из выражения (7) в (8) и дифференцируя с учетом (1), найдем ток i(t) в цепи, соединяющей электрометрический зонд с металлической подложкой композитного образца:

72

(10)

Контактная разность потенциалов между проводящей подложкой и диэлектрическим слоем (внутренняя КРП композитной структуры) может быть вычислена путем интегрирования выражения (6):

K

dx 

b1

b

QS b QV bd1  . a a

(11)

Из сопоставления (10) и (11) следует, что

(6)

 Q d 2 Q db Q b S  d 2 d m sin t  V0  V 1  V 1  S  dQ p 2 d d a   i t   S  . 2 dt   d d1  d d 2  d b   d1    a a   a

QV d12 QV d1b QS b   . 2 d a a

0

 Q d2 Qb Q d2 Q dd   d   V 1  S  V 1  V0  V 1 2  2 d a a  a  QV b  Kb1   ; a   d d1  d d 2 d b  a    d1   a a   a

Qp  a Ed  a Ka1.

V0 

VCPDin 

где V0 – приложенный к электрометрическому зонду внешний электрический потенциал; координата x = 0 соответствует границе раздела подложка-ПАОА. Решения для констант имеют вид: 

Методика измерений предусматривает приведение тока в цепи электрометрического зонда к нулю за счет автоматического регулирования приложенного к чувствительному элементу зонда электрического потенциала V0. В соответствии с (9), нулевое значение переменного тока i(t) = 0 достигается при выполнении условия

(9)

V0  VCPDin 

QV d12 . 2 d

(12)

Можно видеть, что составляющие состояние внутренней границы раздела композитной структуры КРП и заряд в ПАОА складываются аддитивно. Полученная модель удовлетворяет критерию разделения параметров в односигнальной многопараметрической модели измерений, т.е. существует методика обработки измерительного сигнала, обеспечивающая разделение вклада его отдельных составляющих. Можно видеть, что при отсутствии заряда в диэлектрике (QV = 0) уравнение (12) переходит в классическое выражение для компенсационного метода измерений КРП с полной компенсацией [2], согласно которому компенсирующее напряжение V0 в установившемся режиме равняется измеряемой КРП VCPD. Основные операции контроля дефектов композитных структур, обеспечивающие разделение вклада двух составляющих сигнала электрометрического зонда, можно свести к следующей последовательности действий: 1. Регистрация пространственного распределения электрического потенциала поверхности композитной структуры в исходном состоянии. Определяемая величина сигнала V0 при этом соответствует суммарному потенциалу структуры с учетом объемного заряда в диэлектрическом слое согласно выражению (12). 2. Разряжение диэлектрического слоя путем воздействия на поверхность ультрафиолетовым излучением. 3. Повторная регистрация пространственного распределения электрического потенциала поверхности композитной структуры. Определя-

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

емая величина сигнала V0 при этом соответствует КРП проводящей подложки, а регистрируемое распределение V0 отражает распределение дефектов внутренней границы раздела композитной структуры. 4. Взаимное вычитание пространственных распределений сигнала электрометрического зонда, полученных на шагах 1 и 3. Получаемое в результате разностное распределение отражает распределение объемного заряда диэлектрического слоя, соответствующее распределению дефектов диэлектрического слоя.

Литература 1. Мухуров, Н.И. Особенности формирования прецизионных чувствительных элементов датчиков космической плазмы / Н.И. Мухуров, И.В. Гасенкова, И.М. Андрухович // Нано- и микросистемная техника. – 2015. – № 1. – С. 48–56. 2. Zharin A.L. Contact Potential Difference Techniques as Probing Tools in Tribology and Surface Mapping. In book: Applied Scanning Probe Methods, Vol. 14, Edited by B. Bhushan, Springer-Verlag, Heidelberg, 2010. – Р. 159–198.

УДК 621.396 ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ САПР В ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ Савёлов И.Н., Довнар А.С., Плытник Е.А., Савёлов П.И. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Применение систем автоматизированного проектирования (САПР) при конструировании электронных приборов позволяет сократить время проектирования оптимальной конструкции благодаря возможности проверки большого количества конструктивных вариантов. В настоящее время организация процесса проектирования новых изделий реализуется два механизма: сборка “снизу вверх” и сборка “снизу вверх”. Проектирование электронных узлов, начинается с разработки электрических схем, оптимизации топологии печатных плат и разработки конструкции печатного узла (конструирование снизу вверх). Проектирование электронных приборов в целом осуществляется с конструирования механической части приборов: несущей конструкции, защитного корпуса (конструирование сверхувниз) и только затем разработки конструкции печатного узла. Увеличение жизненного цикла проектируемого изделия путём интенсификации процесса проектирования и оптимизации технических решений невозможно без коллаборации и интеграции САПР. Наиболее распространённой схемотехнической САПР является Altium Designer, а для разработки механической части электронных приборов широко применяется система твердотельного моделирования SolidWorks. В этих САПР реализована возможность обмена конструкторскими решениями разрабатывая при этом единую модель Кроме того, Altium Designer разработала интегрированный в SolidWorks PCB модуль позволяющий в одной системе реализовывать все этапы жизненного цикла включая применение CALSтехнологий при проектировании. Это существенно снижает себестоимость продукции и

обеспечивает электронную интеграцию всей разработанной документации от создания проекта изделия до его утилизации Целью данной работы является применение при разработке электронных приборов коллаборационных и интеграционных возможностей САПР SoliwWorks и Altium Designer. При разработке конструкции цифрового дозиметра был реализован механизм проектирования “снизу вверх”. На основании разработанной электрической схемы была оптимизированна топология печатной платы (рис. 1) и создана 3D модель печатного узла. Коллоборация применяемых САПР позволяет без дополнительных действий производить обмен разработанными конструкциями. На основе созданной в Altium Designer модели печатного узла при помощи САПР SolidWorks была разработана его твердотельная модель (рис. 2). В данном случае выявились недостатки проектирования “снизу вверх”, т. к. геометрические параметры печатного узла являются неизменяемым фактором, ограничивающим выриативность конструктивных исполнений дозиметра.

73

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

был разработан электронный макет печатного узла (рис. 3). В соответствии с требуемыми геометрическими кординатами размещения электронных компенентов при помощи модуля SolidWorks PCB была разработана топология блока управления (рис. 4).

Разработка механических и электрических составляющих электронного прибора необходимо обеспечить его работоспособность в заданных условиях эксплуатации, а также обеспечить эргономичность и эстетичность конструкции в целом равнозначны в процессе проектирования современных электронных изделий. Но в современных рыночных условиях при реализации основных функциональных возможностей электронного прибора, необходимо обеспечить эргономичность и эстетичность конструкции в целом. В приборостроении при разработке механических и электронных узлов изделия применяются разные системы автоматизированного проектирования (САПР). Поэтому часто возникает проблема организации обмена текущей информации по внесению изменений в уже принятые технические решения. Это как правило замедляет процесс проектирования изделия.

При разработке блока управления роботизированного устройства двухкоординатного позиционирования был реализован механизм проектирования электронных устройств “сверху вниз” при помощи интеграционных возможностей САПР. На основании эксплуатационных и эргономическихи требований была разработана концепция конструкции блока управления: определена требуемая конфигурация гибко-жёсткого печатного узла и размещение коммутирующих, информационных и сигнальных элементов. В соответствии с разработанной компоновкой блока управления

74

Кроме того, разработка электронного узла упрощается, т. к. библиотечные модели электронных компонентов помимо объёмного изображения содержат их математическую модель, позволяющие осуществлять эмуляцию функционирования электрической схемы. В результате создаётся единая твердотельнамодель, которая отражает суть выработанных технических решений и реализованных во всех направлениях проектирования приборов.

Интегрированный модуль PCB обеспечивает взаимодействие в режиме реального времени конструкторов осуществляющих схемотехническое и механическое проектирование электронного прибора.

Также появляется возможность получать однозначную информацию о расположении электронные компоненты на плате и как планируется осуществлять установку платы в корпус

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

(рис. 5). Наличие в САПР SilidWoks встроенного CAM модуля обеспечивает возможность разработки g-кода для изготовления разработанных узлов при помощи станков с числовым программным

обеспечением.Таким образом, разработка современных электронных приборов при помощи САПР позволяет сократить сроки не только проектирования изделий, но и подготовки производства.

УДК 621.383.92 ПОТЕРИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ЕЕ ИЗМЕРЕНИИ В АСИНХРОННОМ КВАНТОВО-КРИПТОГРАФИЧЕСКОМ КАНАЛЕ СВЯЗИ Тимофеев А.М., Колядич А.С., Корбут М.В. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Минск, Республика Беларусь Введение. При разработке современных систем связи одной из наиболее важных задач является обеспечение конфиденциальности передаваемой информации [1]. Решение этой задачи возможно посредством систем квантово-криптографической связи, перспективность использования которых обусловлена возможностью достижения абсолютной конфиденциальности передаваемых данных [1]. При реализации таких систем связи особенно важно, чтобы приемо-передающее оборудование легитимных пользователей имело наименьшее количество ошибок (потерь информации) [2]. В противном случае решить задачи защиты передаваемой информации зачастую не представляется возможным. Отметим, что в системах квантово-криптографической связи информация передается предельно слабыми оптическими импульсами со средним числом фотонов не более десяти, что требует использования высокочувствительных приемных модулей – счетчиков фотонов [1, 2]. Известные методики [2, 3] позволяют оценить потери информации. Однако методики, описанные в [3], не применимы для систем квантово-криптографической связи, т.к. не учитывают такой важный параметр приемного модуля, как мертвое время [1, 2]. В течение этого времени счетчик фотонов не чувствителен к падающему на него оптическому излучению, что приводит к ошибкам при измерении оптического излучения на выходе канала связи. Методика [2] учитывает наличие мертвого времени счетчика фотонов только в случае регистрации одноименных двоичных символов. Однако данные, передаваемые по каналам связи, как правило, представляют собой последовательности, содержащие как символы «0», так и символы «1». В этой связи целью данной работы являлось определить влияние мертвого времени счетчика фотонов на потери передаваемой информации в квантово-криптографическом канале связи, в котором данные представляют собой последовательности двоичных символов «0» и «1». Объект исследования – асинхронный квантово-криптографический канал связи [2], который не требует наличия линий связи для передачи и приема синхроимпульсов. Предмет

исследования – установление влияния продлевающегося мертвого времени типа на энтропию потерь. Данным типом мертвого времени характеризуются счетчики фотонов на базе лавинных фотоприемников, включенные по схеме пассивного гашения лавины [1]. Выражение для оценки потерь информации. Потери информации определяются энтропией, рассчитать которую для рассматриваемого канала связи можно, воспользовавшись математической моделью [2]: H ( B / A)   Ps (0)P(0 / 0) log 2 P(0 / 0)   P(1 / 0) log 2 P(1 / 0)  P( / 0) 

 log 2 P( / 0)  Ps (1)P(0 / 1) log 2 P(0 / 1) 

(1)

 (1 / 1) log 2 P(1 / 1)  P( / 1) log 2 P( / 1),

где Ps(0) и Ps(1) – вероятности появления символов «0» и «1» соответственно на входе канала связи; P(0/0) и P(0/1) – вероятности регистрации на выходе канала связи символа «0» при наличии на его входе символов «0» и «1» соответственно; P(1/0) и P(1/1) – вероятности регистрации на выходе канала связи символа «1» при наличии на его входе символов «0» и «1» соответственно; P(–/0) и P(–/1) – вероятности отсутствия символов на выходе канала связи, в то время как на его входе был сформирован символ «0» и символ «1» соответственно. Предположим, что в канале связи организована высокоскоростная передача данных, тогда Ps(0) = Ps(1) = 0,5 [2]. Переходные вероятности, входящие в (1), равны [4]:  (nt  ns 0 )( t  τ d )N   N! N  N1   exp  (nt  ns 0 )( t  τ d ),

(2)

 (nt  n s1 )( t  τ d )N  N! N  N1 

(3)

N2

P ( 0 / 0) 

N2

P (0 / 1) 



 exp  (nt  n s1 )( t   d ),

P(1 / 0)  1  P(0 / 0)  P( / 0),

(4)

75

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

P(1 / 1)  1  P(0 / 1)  P( / 1),

(5)

 ( nt  n s 0 )( t  τ d )N   N! N 0   exp  ( nt  n s 0 )( t  τ d ),

(6)

P (  / 0) 

P ( / 1) 

N1 1

 (nt  ns1 )( t  τ d )N  N! N 0 

N1 1



(7)

 exp  (nt  ns1 )( t  τ d ),

где nt – средняя скорость счета темновых импульсов на выходе счетчика фотонов; ns0 и ns1 – средние скорости счета сигнальных импульсов на выходе счетчика фотонов при передаче символов «0» и «1» соответственно; τd – средняя длительность мертвого времени продлевающегося типа; ∆t – среднее время однофотонной передачи данных; N1 и N2 – нижний и верхний пороговые уровни регистрации соответственно. Таким образом, рассчитать энтропию потерь информации для рассматриваемого канала связи можно путем подстановки в (1) соответствующих выражений (2) ÷ (7) при заданных пороговых уровнях регистрации N1 и N2, скоростях счета импульсов nt, ns0 и ns1 и длительностях ∆t и τd. Результаты исследования и их обсуждение. На рис. 1 представлены зависимости энтропии потерь от средней длительности мертвого времени продлевающегося типа для различных средних скоростей счета сигнальных импульсов при передаче символов «0» ns0 и символов «1» ns1.

Рисунок 1 – Зависимость энтропии потерь от средней длительности мертвого времени: N1 = 1, N2 = 7, nt = 103 с-1, ∆t = 50 мкс; средние скорости счета сигнальных импульсов: 1 – × ns0 = 66,6 ×× 103 с-1, ns1 = 35,0 × 104 с-1; 2 – + ns0 = 74,1 × 103 с-1, ns1 = 38,9 × 104 с-1; 3 – ns0 = 83,5 × 103 с-1, ns1 = 43,7 ×× 104 с-1; 4 – ○ ns0 = 95,6 × 103 с-1, ns1 = 50,0 × 104 с-1

Расчет проводился для одинаковых значений N1 = 1, N2 = 7, nt = 103 с-1 и ∆t = 50 мкс по методикам [5, 6]. Отметим, что при других значениях N1 и N2, и отношениях nt/ns0 и nt/ns1 проявление эффекта мертвого времени продлевающегося типа

76

для рассматриваемого канала связи аналогично представленному на рис. 1. Диапазон значений τd определялся по методикам [2, 7] с учетом того, что вероятность ошибочной регистрации символов («0» и «1») должна быть менее 0,5. Все графики нормированы на максимальное значение H(B/A). Из представленных результатов видно, что с увеличением средней длительности мертвого времени продлевающегося типа энтропия потерь увеличивается во всех исследуемых диапазонах значений τd. Причем при прочих равных параметрах с ростом скоростей счета ns0 и ns1 энтропия потерь уменьшается. Так, например, при τd = 18 мкс энтропия потерь равна 0,54 отн. ед. для ns0 = 66,6 × 103 с-1 и ns1 = 35,0 × 104 с-1; 0,42 отн. ед. для ns0 = 74,1 × 103 с-1 и ns1 = 38,9 × × 104 с-1; 0,31 отн. ед. для ns0 = 83,5 × 103 с-1 и ns1 = 43,7 × 104 с-1; 0,23 отн. ед. для ns0 = 95,6 × × 103 с-1 и ns1 = 50,0 × 104 с-1. Такое влияние τd и скоростей счета ns0 и ns1 на H(B/A) объясняется следующим. При увеличении τd вероятности ошибочной регистрации символов «0» и «1» растут, увеличивая H(B/A) [2, 4]. Вместе с тем, при прочих равных параметрах с ростом скоростей счета ns0 и ns1 в исследуемых диапазонах τd вероятности ошибочной регистрации символов «0» и «1» уменьшаются, что снижает H(B/A). Указанные особенности изменения вероятностей ошибочной регистрации символов «0» и «1» с ростом ns0, ns1 и τd обусловлены смещением статистических распределений смеси числа темновых и сигнальных импульсов при передаче символов «0» и «1», что достаточно подробно исследовано в работах [2, 4]. Заключение. Таким образом, в данной работе получено выражение для оценки энтропии потерь информации при ее измерении в асинхронном квантово-криптографическом канале связи. Выполненные исследования показали, что с ростом средней длительности мертвого времени продлевающегося типа энтропия потерь увеличивается. Причем при прочих равных параметрах с ростом средних скоростей счета сигнальных импульсов при передаче символов «0» и символов «1» энтропия потерь уменьшается. Литература 1. Килин, С.Я. Квантовая криптография: идеи и практика / С.Я. Килин; под ред. С.Я. Килин, Д.Б. Хорошко, А.П. Низовцев. – Мн.: Бел. наука, 2007. – 391 с. 2. Тимофеев, А.М. Оценка влияния продлевающегося мертвого времени счетчика фотонов на вероятность ошибочной регистрации данных квантово-криптографических каналов связи / А.М. Тимофеев // Вестник связи. – 2018. – № 1(147). – С. 56–62. 3. Дмитриев, С.А. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы / С.А. Дмитриев, Н.Н. Слепов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ООО «Волоконно-оптическая техника», 2005. – 576 с.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 4. Тимофеев, А.М. Энтропия потерь однофотонного асинхронного волоконно-оптического канала связи с приемником на основе счетчика фотонов с продлевающимся мертвым временем / А.М. Тимофеев // Актуальные проблемы науки XXI века, 2018. – вып. 7. – С. 5–10. 5. Тимофеев, А.М. Методика повышения достоверности принятых данных счетчика фотонов на основе анализа скорости счета импульсов при передаче двоичных символов «0» / А.М. Тимофеев // Приборы и методы измерений. – 2019. – т. 10. – № 1. – С. 80–89.

6. Тимофеев, А.М. Достоверность принятой информации при ее регистрации в однофотонном канале связи при помощи счетчика фотонов / А.М. Тимофеев // Информатика. – 2019. – Т. 16.– № 2. – С. 90–98. 7. Тимофеев, А.М. Влияние времени однофотонной передачи информации на вероятность ошибочной регистрации данных асинхронных квантово-криптографических каналов связи / А.М. Тимофеев // Вестник ТГТУ. – 2019. – т. 25.– № 1. – С. 36–46.

УДК 625.7.08 ГЕОРАДАРНОАКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ГРУНТОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Кучинский П.В., Романов А.Ф., Ходасевич А.И., Чернобай И.А. Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета Минск, Республика Беларусь Одной из основных и важных составляющих обеспечения безопасности жизнедеятельности является надежность и качество автомобильных дорог. В целом надежность и качество дорог в сильной мере зависят от прочности и устойчивости подповерхностных грунтов, минимум влагосодержания которых является определяющим фактором прочности. На сегодняшний день не существует быстрых и доступных методов глубинного контроля влажности грунтов. Настоящая работа посвящена разработке нового георадарноакустического метода определения влажности подповерхностных грунтов автомобильных дорог. Реализация метода основывается на комбинированном применении георадарного и акустического способов измерений, причем применяемая комбинация сочетает в себе положительные достоинства георадарного и акустического способов, что позволяет получить новый качественный результат по определению влажности подповерхностных слоев автомобильной дороги. Функционирование предлагаемого георадарноакустического способа заключается в одновременном излучении в подповерхностные грунты акустических импульсов и излучении коротких зондирующих радиоимпульсных сигналов с последующим приемом и детектированием сигналов, отраженных внутренними границами подповерхностных грунтов. Метод позволяет измерять толщину каждого слоя и времена распространения акустических импульсов в каждом подповерхностном слое. На основании измерений вычисляется скорость распростра-нения акустической волны в каждом слое грунта. По результатам полученных вычислений определяется влагосодержание каждого слоя и оценивается его устойчивость и прочность. Измерения скорости распространения акустических колебаний реализуется по временам распространения TP 1 , TP 2 , …, TPn акустических

волн, определяемым по моментам выделения фазоамплитудных флуктуаций отраженных радиолокационных сигналов от каждой границы между слоями, вибрирующей в соответствии со сдвигом фаз, вызванным распространением акустических волн от излучателя через контролируемые подповерхностные слои грунта. На основании полученных результатов для времен распространения вычисляются скорости распространения акустических волн в первом, втором, третьем … и n – ом слоях: v1 

ln l1 ; vn  TPn  TPn  1 TP 1

,

(1)

где l 1 ; l 2 ;…; l n – толщины каждого слоя, измеряемые посредством отраженных радиолокационных сигналов по следующим формулам: l1 

c0 t 1 2 1

;…; l n  c0 ( t n  t n  1 ) , 2 n

(2)

где: c0 – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме; t 1 , t 2 , …, t n – отметки времени, измеряемые радиолокационным сигналом от момента времени излучения радиолокационного импульса до момента его приема при отражении от каждой границы между слоями;  1 ,  2 ,…,  n – величины диэлектрической проницаемости слоев. Алгоритмом, описывающим функциональную зависимость диэлектрической проницаемости от влажности, является известная по литературным источникам достаточно сложная эмпирическая зависимость диэлектрической проницаемости грунтов от влажности [1,2]: 2 3   3 ,03  9 ,3Wоб  146Wоб  76 ,6Wоб ,

(3)

77

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

где: Wоб - доля объемной влажности по отношению к плотности сухой породы в единице объема среды. Функциональная зависимость (3) позволяет вычислительным методом определять влажность грунтов как функцию диэлектрической проницаемости, однако является ориентировочной. Определение влажности путем измерения диэлектрической проницаемости приводит к весьма приблизительным результатам по следующим причинам: имеют место погрешности влияния величин используемых частот, а также еще в большей мере имеют место погрешности за счет изменения и влияния физико-химических параметров подповерхностных грунтов, в особенности за счет их минерализации. Невозможность серьезной ориентировки на определение влажности подповерхностных грунтов дорожных конструкций посредством определения диэлектрической проницаемости грунтов подтверждается не только неопределенностью и нестабильностью функциональной зависимости Wn  W0  f (  )n , но и функциональной зависимостью относительной погрешности диэлектрической проницаемости подповерхностных грунтов от изменения температуры грунтов. Величина относительной погрешности определения диэлектрической проницаемости подповерхностных грунтов в зависимости от температуры грунтов исследовалась в работе [3] и представлена рисунком 1.

нальная зависимость скорости распространения акустических волн в подповерхностных грунтах различного состава имеет наиболее высокую степень корреляции с массовой долей влажности грунта. Зависимость скорости распространения в грунтах различного состава от массовой доли влажности грунта приведена на рисунке 2.

Рисунок 1 – Относительная погрешность определения диэлектрической проницаемости подповерхностных грунтов в зависимости от температуры грунтовиз

Литература

которого видно, что возникающие погрешности до  15 % накладывают ограничения на применимость этого метода по измерению влажности подповерхностных грунтов дорожных конструкций Поэтому для получения достаточно высокой точности измерений в основу функционирования был положен более совершенный алгоритм [4], основанный на определении скорости распространения акустических волн в соответствии с уравнениями (1) и (2) в подповерхностных грунтах дорожных конструкций, так как функцио-

78

Рисунок 2 – Функциональная зависимость скорости распространения акустических волн в подповерхностных грунтах различного состава от массовой доли влажности грунта: ────  ──── песок средней крупности; ──── х ──── суглинок тяжелый; ──── о ──── песок мелкой крупности

При этом важным моментом является то, что вычисленная относительная погрешность определения скорости распространения акустических волн в подповерхностных грунтах в зависимости от температуры грунтов является сравнительно небольшой. Функциональная температурная зависимость оценивалась в диапазоне от нулевой до 100 %-ной влажности грунта и составляет по абсолютной величине не более  5 %. Эта погрешность может быть скомпенсирована путем введения температурной поправки, например путем измерения наружной температуры с последующей ее интерпретацией к внутренним слоям подповерхностных грунтов дорожных конструкций и с внесением температурных поправок в измерительно-регистрирующее устройство аппаратурного комплекса, реализующего предложенный георадарноакустический метод. 1. Перспективные направления в развитии георадиолокационных исследований/ООО «НПЦ Геотех» http://www.geotech.ru/about/stati/perspektivnye_napraleniya_v_razvitii_georadiolokacionnyh_issledovanij/ 2. Влияние влажности на диэлектрическую проницаемость «Справочник химика 21 века». – Москва. – 2001. 3. Antennas in Matter. Fundamentals, Theory and Applications. Ronold W.P. King, Glenn S. Smith. Cambridge, Massachusetts, and London. England. 1991. 4. Aliakseyeu,Yury Georadar vibration-acoustic technology for express-control of road pavement strength and results of its application / Zhongyu Li, Yury Aliakseyeu, Jicun Shi, Anatoly Romanov, Yuheng Liu, Xuejun Yue, Yonghui Chen, Aliaksandr Khadasevich, Ivan Charnabai // https://www.jvejournals.com/article/20237.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 620.179.14 МАГНИТОДИНАМИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО СТРУКТУРЕ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ Шарандо В.И., Чернышёв А.В., Кременькова Н.В. Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь В настоящее время для толщинометрии никелевых покрытий, нанесённых на бронзовый подслой внутри камер сгорания ракетных двигателей, успешно применяется магнитодинамический метод. Однако в процессе длительного использования разработанных на его основе приборов и многочисленных сопутствующих исследований была установлена необходимость учёта структурного состояния никеля, влияющего на его магнитные характеристики. Игнорирование этого фактора может привести к существенным, а в ряде случаев и недопустимым погрешностям контроля. В работе [1], выполненной в лаборатории металлофизики ИПФ НАН Беларуси, исследовано влияние внутренних напряжений в никелевых покрытиях на измеряемые сигналы при их толщинометрии магнитодинамическим и термоэлектрическим методами. Измерения проводились на отожжённых и деформированных на 33 % образцах электролитического никеля. В магнитодинамических приборах использованы три первичных преобразователя со стержневыми магнитами из материала NdFeB, различающимися по величине намагничивающего поля (энергия магнита 15, 55 и 180 мДж). Показано, что внутренние напряжения в никеле значительно снижают уровень измеряемого сигнала, и это приводит к возрастанию погрешности измерений. По мере усиления намагничивающего поля ситуация улучшается, при этом также расширяется диапазон измерений. Наибольшее сближение зависимостей измеряемого сигнала от толщины для отожжённого и деформированного никеля достигается при максимальной энергии магнита, однако и в этом случае погрешность может остаться существенной, что особенно заметно в верхней части диапазона толщин. Кроме того, использование магнита с энергией 180 мДж приводит к появлению нового источника погрешностей, связанного с появлением чувствительности измеряемого сигнала к находящемуся позади бронзовой прослойки ферромагнитному корпусу камеры сгорания ракетного двигателя. Таким образом, вопрос снижения погрешностей при магнитодинамическом контроле толщин напряжённых никелевых покрытий сохраняет актуальность. В настоящем сборнике приведена также посвящённая указанной теме наша работа "Изучение процесса отжига деформированного никеля с применением магнитодинамического и электромагнитного методов неразрушающего контроля".

Из неё следует, что деформированный и отожжённый никель можно надёжно разделять с помощью магнитодинамического толщиномера МТЦ-3-2, магнитодинамического измерителя остаточной намагниченности ИОН-4 и электромагнитного прибора ПКТ-2, фиксирующего третью гармоническую составляющую выходной ЭДС преобразователя. Целью настоящей работы является оценка практических возможностей толщинометрии никелевых покрытий в разном структурном состоянии с помощью указанных магнитодинамических и электромагнитного методов неразрушающего контроля, а также при их возможном комплексном применении. Для выполнения работы использован магнитодинамический толщиномер МТЦ-3-2 [2, 3]. При этом признано целесообразным применение преобразователя, снабжённого магнитом с энергией 45 мДж, гарантирующего отсутствие влияния на результат измерений стального корпуса камеры сгорания и позволяющего в то же время получить достаточную чувствительность к толщине никеля в области используемого на практике диапазона от 200 до 700 мкм. Измерителем остаточной намагниченности ИОН-4 [3], использующим устанавливаемую на поверхность ферромагнетика и затем удаляемую от него катушку без магнита, определялся поток индукции от магнитного пятна, оставленного преобразователем толщиномера МТЦ-3-2 после его снятия с поверхности никеля. Исследования при переменном магнитном поле возбуждения производились с помощью прибора ПКТ-2 [4]. Измерялась амплитуда третьей гармонической составляющей выходной ЭДС накладного преобразователя. Поскольку никелевые покрытия в ракетных двигателях наносятся на немагнитное основание (бронзу), при исследованиях они могут быть заменены пластинками из соответствующего материала, с которыми и проводятся необходимые технологические действия. Изменение структуры исследуемых образцов (пластины электролитического никеля) обеспечивалось их пластической деформацией. Отожжённые в течение 3 часов на воздухе при 700°С образцы прокатывали на 33 %, затем отрезанные от них части снова отжигали в течение 1 часа при тех же условиях. Размеры каждого образца составляли 32×22 мм. В итоге у одной серии образцов внутренних напряжений практически не было, тогда как у

79

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

другой они оказались близки к возможным на практике. Сигнал МТЦ-3-2, усл. ед.

3000 1 2500 2000 2 1500

(а)

1000

500 0 0

400

800

1200

1600

Толщина никеля, мкм Сигнал ИОН-4, усл. ед.

40 2 30 20

(б)

10 1 0 0

400

800

1200

1600

Толщина никеля, мкм

Сигнал ПКТ-2, усл. ед.

200 160 120

(в) 80

1

40

Остаточная намагниченность близка к нулевому значению практически для всех рассмотренных толщин отожжённых покрытий. Для покрытий в деформированном состоянии она зависит от их толщины, но изменение в используемом на производстве диапазоне 200÷700 мкм оказывается достаточно слабым. Это делает возможным применение измерений этой магнитной характеристики для корректировки показаний магнитодинамического толщиномера в плане выбора необходимой для определения толщины покрытия градуировочной кривой. Для прибора ПКТ-2 показания на деформированном никеле характеризуются относительно небольшой величиной сигналов и слабой их зависимостью от толщины. На отожжённых покрытиях измеряемый сигнал изменяется более сильно, с резким возрастанием в области низких толщин и неоднозначностью в целом по диапазону. Но в практически значимой области толщин колебания показаний не слишком велики, и они, как и остаточная намагниченность, могут быть использованы для выбора градуировочной кривой магнитодинамического толщиномера. Совместное использование рассмотренных методов контроля позволит осуществлять достоверную оценку проведенной термообработки никелевых покрытий, указывать на их выход из магнитного состояния, создавшегося при нанесении, а также вводить другие необходимые корректировки в показания при толщинометрии. Имеет перспективы разработка многопараметровых приборов контроля, например, создаваемых по принципам, изложенным в [5, 6]. Литература

2 0 0

400

800

1200

1600

Толщина никеля, мкм

Рисунок 1 – Зависимость показаний приборов: МТЦ-3-2 (а), ИОН-4 (б), ПКТ-2 (в) от толщины: 1 – отожжённых; 2 – деформированных никелевых образцов

Результаты измерений на никелевых образцах сигналов указанных выше приборов показаны на рисунке 1. Показания во всех случаях снимались в безразмерных условных единицах. Из рисунка следует, что прибор МТЦ-3-2 обеспечивает однозначные зависимости от толщины как для отожжённых, так и деформированных никелевых покрытий, но не позволяет создать общую для них градуировку толщиномера. Это необходимо иметь в виду при практическом использовании: для предотвращения неприемлемых погрешностей следует только после определения состояния никеля использовать соответствующую ему градуировочную кривую.

80

1. Лухвич А.А., Булатов О.В., Шарандо В.И. Толщинометрия неоднородных по структуре никелевых покрытий магнитодинамическим и термоэлектрическим методами // Приборостроение-2015: материалы 8й Международной научно-технической конференции, Минск, 26–27 ноября 2015 г. – С. 117–118. 2. Лухвич А.А. Магнитные толщиномеры нового поколения // Неразрушающий контроль и диагностика. – 2010. – № 4. – С. 3–15. 3. Разработки лаборатории металлофизики ИПФ АН Беларуси в области неразрушающего контроля [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://iaph.basnet.by/lab1/products/ – Дата доступа: 24.09.2019. 4. Гусак, Н.О. Прибор для контроля твердости ПКТ-2 / Н.О. Гусак, А.В. Чернышев, В.Л. Цукерман // Дефектоскопия. – 1991. ‒ № 10. ‒ С. 92. 5. Патент РБ на полезную модель № 7359, МПК G 01R 33/02. / Устройство для контроля ферромагнитных изделий. Чурило В.Р., Шарандо В.И. (бюл. №3, 2011, с. 219). 6. Патент РБ на полезную модель № 8112, МПК G 01R 33/02. / Устройство для контроля толщины покрытий и остаточной намагниченности. Чурило В.Р., Шарандо В.И. (бюл. № 2, 2012, с. 265).

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 620.179.14 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ОТЖИГА ДЕФОРМИРОВАННОГО НИКЕЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Шарандо В.И., Чернышёв А.В., Кременькова Н.В. Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь Гальванические никелевые покрытия больших толщин на немагнитных (бронзовых) основаниях широко применяются в ракетной технике. В настоящее время освоен их контроль с помощью магнитодинамического метода [1], приборы такого рода были разработаны в ИПФ НАН Беларуси в процессе выполнения программ Союзного Государства «Космос-НТ» и «Мониторинг-СГ» [2, 3] и используются на соответствующих предприятиях. Исследования, проводившиеся в рамках указанных программ, выявили зависимость результатов контроля от условий нанесения и дальнейшего состояния никелевого покрытия; определяющее значение имеет уровень присутствующих в нём внутренних напряжений. Оценочные исследования показали, что величина измеренного толщиномером на гальванически осаждённом никеле сигнала соответствует его величинам при степенях деформации отожжённого никеля 15÷55 %. Термообработка покрытий может резко изменить показания приборов. Целью работы являлось изучение возможностей получения информации, необходимой для оценки состояния никелевых покрытий при их производстве и создания методик снижения погрешностей их контроля. Исследовано влияние температуры отжига деформированного никеля на показания приборов магнитодинамического и электромагнитного контроля. Использован толщиномер МТЦ-3-2 [1, 4], основанный на регистрации изменения магнитного потока в индукционной катушке, охватывающей стержневой магнит, при его контакте и затем удалении от ферромагнетика, в данном случае слоя никеля. Энергия магнита, выполненного из NdFeB, составляет 45 мДж. С помощью измерителя остаточной намагниченности ИОН-4 [4], использующего устанавливаемую на поверхность ферромагнетика и затем удаляемую от него катушку без магнита, определялся поток индукции от магнитного пятна, оставленного преобразователем толщиномера МТЦ-3-2 после его снятия с поверхности никеля. Исследования при переменном магнитном поле возбуждения производились с помощью прибора ПКТ-2 [5]. Измерялась амплитуда третьей гармонической составляющей выходной ЭДС накладного преобразователя. Ввиду затруднительности деформационной обработки находящихся на основаниях покрытий исследования проводились на пластинках из

используемого при их нанесении электролитического никеля, которые были начально отожжены на воздухе 3 часа при 700°С, прокатаны со степенью деформации 55 % до размеров 210×320×0,97 мм и снова подвергнуты часовому отжигу на воздухе при 200, 300, 400, 500 и 700°С. Результаты измерений на них сигналов указанных выше приборов показаны на рисунке 1. Из рисунка следует, что все три метода имеют высокую чувствительность к структурному состоянию никеля и могут быть использованы для исследований процессов его деформации и отжига. Поведение кривых полностью укладывается в представления, связанные с изменением в исследуемом материале концентрации структурных дефектов, в частности плотности дислокаций. При пластической деформации металла она возрастает, что для ферромагнетика приводит к уменьшению максимальной магнитной проницаемости и увеличению коэрцитивной силы. С первым фактором связано падение магнитного потока в намагничивающем поле (сигнал МТЦ-3-2), со вторым – рост остаточной намагниченности (сигнал ИОН-4). Отжиг дефектов металлической решётки с повышением температуры приводит к возврату этих параметров к состоянию, характерному для равновесной структуры. В случае электромагнитного контроля ввиду небольшой величины амплитуды поля возбуждения преобразователя перемагничивание никелевого образца под ним осуществляется в релеевской области. Известно, что при этом амплитуда третьей гармонической составляющей магнитной индукции ферромагнитного образца прямо пропорциональна величине его коэффициента Релея, который, в свою очередь, обратно пропорционален плотности дислокаций [6]. Это и наблюдается в показаниях прибора ПКТ-2. Существенное изменение измеряемых сигналов начинается после отжигов в районе 300°С, далее оно нарастает; основные изменения происходят до 500°С. Это означает, что при контроле толщины покрытий надёжные результаты могут быть получены только на никеле, не проходившем термообработку или в случаях, когда температура его нагрева не превышала 200÷300°С. И если, как было отмечено, при наличии в материале покрытия внутренних напряжений, соответствующих степеням деформации 15÷55 %, с приемлемой погрешностью может быть применена единая градуировочная кривая, то после отжигов

81

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

при высоких температурах необходимо создавать применимые к новым структурам дополнительные градуировки приборов.

Сигнал МТЦ-3-2, усл. ед.

2700 2600 2500

(а) 2400 2300

2200 0

100

200

300

400

500

600

700

Сигнал ИОН-4, усл. ед.

Температура отжига, °С 35 30 25

20

(б)

15 10 5

0 0

100

200

300

400

500

600

700

Температура отжига, °C

Сигнал ПКТ-2, усл. ед.

50 40 30

(в)

20 10

0 0

100

200

300

400

500

600

700

Температура отжига, °C

Рисунок 1 – Зависимость показаний приборов МТЦ-3-2 (а), ИОН-4 (б) и ПКТ-2 (в) от температуры отжига деформированных никелевых образцов

При температурах отжига более 500°С остаточная намагниченность становится близкой к нулевому значению, в то время как показания других приборов продолжают с замедлением нарастать. Это может быть связано как с менее интенсивным продолжением отжига сложных дефектов, так и с тем фактом, что процесс термообработки осуществлялся на воздухе. Вопрос, имеется ли в действительности выход кривых на насыщение при 700°С, корректно решён быть не может и в данном случае не является актуальным. На практике такие отжиги требуют использования инертных атмосфер или вакуума и, соответственно, изучения показаний приборов неразрушаюшего контроля применительно к изделиям, подвергнутым реальным технологиям термообра-

82

ботки. Это касается также рассмотрения эффектов, которые могут появиться при переходе от отдельных никелевых пластинок к реальным покрытиям на бронзовом основании в связи с возможной высокотемпературной диффузией атомов материала основания в никель и изменением его магнитных свойств. Предложенные методы и методики контроля структурного состояния никеля и полученные в работе данные в дальнейшем могут быть использованы при анализе процессов деформации и отжига никелевых покрытий, создании градуировок для их промышленной толщинометрии. Из характера полученных зависимостей вытекает возможность как отдельного их использования, так и совместного рассмотрения для взаимной корректировки результ атов осуществляемого вида неразрушающего контроля. Сюда может относиться и создание многофункциональных приборов контроля (толщиномеров покрытий), осуществляющих такую корректировку. Оценка преимуществ приборов друг перед другом может касаться только характеристик чувствительности и стабильности показаний и подверженности влиянию посторонних мешающих факторов. Здесь следует признать, что в качестве основного метода контроля следует использовать измерения с помощью прибора МТЦ-3-2, другие могут давать вспомогательную информацию. Литература 1. Лухвич А.А. Магнитные толщиномеры нового поколения // Неразрушающий контроль и диагностика. – 2010. – № 4. – С. 3–15. 2. Лухвич А.А., Булатов О.В. Магнитная толщинометрия специальных покрытий ракетных двигателей // Четвертый Белорусский космический конгресс: материалы конгресса, в 2 т., Минск, 27−29 октября 2009 г. – Минск : ОИПИ НАН Беларуси, 2009. – Т. 2. – С. 195–199. 3. Шарандо В.И., Кременькова Н.В., Булатов О.В., Лукьянов А.Л., Чернышев А.В., Сергеев О.С. Магнитодинамические и термоэлектрические приборы для измерения толщины покрытий изделий космической техники // Материалы Седьмого Белорусского космического конгресса, Минск, 24-26 октября 2017 г.: в 2-х т. – Минск: ОИПИ НАН Беларуси, 2017. – Т. 1. – С. 143–146. 4. Разработки лаборатории металлофизики ИПФ АН Беларуси в области неразрушающего контроля [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://iaph.basnet.by/lab1/products/. Дата доступа: 24.09.2019. 5. Гусак, Н.О. Прибор для контроля твердости ПКТ-2 / Н.О. Гусак, А.В. Чернышев, В.Л. Цукерман // Дефектоскопия. – 1991. ‒ № 10. ‒ С. 92. 6. Kronmüller, H. Statistical theory of Rayleigh's Law / H. Kronmüller // Z. angew Physik. – 1970. – Vol. 30, no 1. – P. 9–13.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 628.74 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВЫГОРАНИЯ КОМНАТЫ Невдах В.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь

Тепловыделение, кВт

полиуретана. Моделировались первые 1500 секунд этих пожаров в комнате с естественной вентиляцией через проем размером 4.22.2 м в одной из стен. Контролировались величина полного тепловыделения, пространственные распределения температуры воздуха и изменения его давления. Динамику тепловыделения при таких пожарах иллюстрируют зависимости на рисунке 2. 12000

3

2

1

8000 4000 0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Время, с

Рисунок 2 – Зависимости тепловыделения от времени при горении в комнате мебели из горючих материалов трех типов Температура,С

Динамика развития пожаров в жилых домах зависит от динамики пожар в отдельных комнатах, в которых пожар возникает [1]. Целью настоящей работы являлось компьютерное моделирование пожара в жилой комнате, содержащей предметы мебели из горючих материалов, имеющих различные теплофизические свойства. Исследовалось влияние величины теплоты сгорания материалов на динамику выгорания комнаты. Моделирование выполнялось с использованием специализированной программы FDS (Fire Dynamics Simulator) [2,3]. С помощью графического интерфейса PyroSim в расчетной сетке, состоящей из кубических ячеек с ребром 0.1 м, была создана модель жилой комнаты – помещения с размерами 4.44.92.7 м, в котором находятся диван, кресло, ковер, стол, два сидения (см. рисунок 1).

3

1000 800 600 400 200 0

2

6

0

200

1

5

400

600

4

800

1000

1200

1400

Время,с

Пожар инициировался источником с размерами 0.10.1 м и с тепловыделением 10 кВт, помещаемым на сидение дивана. Горение горючего материала моделировалось реакцией горения полиуретана – материала, часто используемого в мягкой мебели [4]. Были промоделированы три случая пожаров, в каждом из которых все предметы мебели были сделаны из горючего материала одного типа. В первом пожаре в качестве горючего материала использовался полиуретан с теплотой сгорания 30000 кДж/кг, покрытый тканью толщиной 0.002 м с теплотой сгорания 15000 кДж/кг [3]. Во втором пожаре такое покрытие было на другом материале, тоже типа полиуретана, но имеющем большую теплоту сгорания – 40000 кДж/кг. В третьем пожаре опять использовался полиуретан, но уже с другим покрытием, теплота сгорания которого была такой же, как и у

3

Изменение давления,Па

Рисунок 1 – Вид моделируемой комнаты

Рисунок 3 – Зависимости температуры воздуха на высоте среднего роста человека 1.7 м (1, 2, 3) и высоте 0.3 м над полом (4,5,6) при трех пожарах 2

1

15

5 -5 0

6

200

5

400

600

4

800

1000

1200

1400

Время, с

Рисунок 4 – Зависимости изменения давления воздуха от времени на высоте 2.3 (1, 2, 3) и высоте 0.3 м (4, 5, 6) над полом при трех пожарах

Из этого рисунка видно, что различия в теплоте сгорания используемых материалов сильно влияют на время достижения максимального тепловыделения при пожарах. Характер изменения распределения температуры воздуха по высоте на оси комнаты возле проема для естественной вентиляции показан на рисунке 3.

83

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Видно, что в течение всего времени моделирования пожаров возле вентиляционного проема существуют большие вертикальные градиенты температуры воздуха, причем в нижней зоне небольшие повышения температуры воздуха происходят только на стадиях пожаров с большим тепловыделением. При такой пространственной неоднородности температуры воздуха в комнате образуется соответствующий градиент изменения давления воздуха (см. рисунок 4), определяющий интенсивность газодинамических процессов, влияющих на выгорание материалов в комнате – величины потока холодного воздуха, пос-

тупающего в комнату через нижнюю зону и выходящиего потока нагретого воздуха и дыма из верхней зоны. Это влияние иллюстрируют отличия в картинах распространения пламенного горения в моменты достижения максимального тепловыделения и в конце промоделированных пожаров, представленных на рисунке 5. Результаты выполненного моделирования пожаров показывают, что динамика выгорания жилой комнаты при одном и том же расположении мебели из горючих материалов, сильно зависит от их теплоты сгорания.

а

г

б

д

в

е

Рисунок 5 – Картины распространения пламенного горения в моменты достижения максимального тепловыделения на 1010-й (а), 415-й (б), 92-й (в) секундах и в конце моделирования на 1500-й секунде (г-е) пожаров 1 (а, г), 2 (б, д) и 3 (в, е) Литература 1. Karlsson B., Quintiere J.G. Enclosure fire dynamics. CRC Press LLC, 2000. 317p. 2. Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical model, NIST Special Publication 1018-5 / K. McGrattan [et al.]. – Gaithersburg, MA, 2009. – 94 p.

84

3. Fire Dynamics Simulator (Version 5). User’s Guide, NIST Special Publication 1019-5 / K. McGrattan [et al.]. Gaithersburg, MA, 2009. – 176 p. 4. Evaluating models for predicting full-scale fire behaviour of polyurethane foam using cone calorimeter data / J.U. Ezinwa [et al.] Fire Technology, 2014, vol. 50. –P. 693–719.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 535.37 ПОСТРОЕНИЕ ГРАДУИРОВОЧНЫХ ШКАЛ ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ РАСТВОРОВ КРАСИТЕЛЕЙ Попечиц В.И. Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко» БГУ Минск, Республика Беларусь Облученные рентгеновским или гамма излучением растворы органических красителей обесцвечиваются. Такое обесцвечивание растворов вызывается изменением состава и структуры молекул красителей в результате химического взаимодействия последних с кислородсодержащими радикалами и ион-радикалами, образующимися в растворах вследствие радиолиза растворителей [1]. Многокомпонентные растворы органических красителей под воздействием ионизирующего излучения не только обесцвечиваются, но, как правило, изменяют цвет, что позволяет визуально определить величину воздействовавшей на раствор радиационной дозы, используя для этого предварительно построенную цветовую градуировочную шкалу. Простейшим многокомпонентным раствором красителей является трехкомпонентный раствор, содержащий два красителя (один краситель поглощает свет в длинноволновой области видимого спектра, другой – в коротковолновой) и растворитель. Для построения градуировочной цветовой шкалы необходимо сначала провести измерение зависимости интенсивности поглощения (оптической плотности раствора) в максимумах длинноволновых полос поглощения от времени облучения раствора ионизирующим излучением известной мощности дозы. Пример такой зависимости представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Нормированные спектры поглощения раствора кислотный алый (λm = 495 нм) + кислотный ярко-голубой З (λm = 640 нм) в воде: 1 – необлученный раствор; 2 – гамма-облученный в течение 5 мин; 3 – гамма-облученный в течении 10 мин; 4 – 15 мин; 5 – 20 мин Мощность дозы гамма облучения – 72 Р/с (0,63 Гр/с)

Проведенные измерения показали, что такая зависимость является экспоненциальной. Опти-

ческая плотность раствора в максимуме длинноволновой полосы поглощения пропорциональна концентрации не разрушенных молекул красителя. Для характеристики скорости радиационного разрушения молекул красителя в растворе обычно используются времена «полуразрушения» (уменьшения вдвое исходной концентрации) в секундах в расчете на мощность дозы 1 Гр/с (t1/2). Для водных растворов красителей исследованных в данной работе при облучении гамма квантами 60Со времена «полуразрушения» красителей в расчете на мощность дозы 1 Гр/с име-ли следующие значения: трипафлавин – 10,5·102 с, малахитовый зеленый – 3,80·102 с, фуксин основание – 11,1·102 с, кислотный ярко-голубой З – 2,46·102 с, родамин 6Ж – 5,63·102 с. Прежде чем приготовить трехкомпонентный раствор, приготавливались водные растворы каждого красителя (один из которых поглощал свет в коротковолновом диапазоне видимого света, другой – в длинноволновом). Например, приготавливался водный раствор трипафлавина концентрации 2·10-3 моль/л и водный раствор малахитового зеленого концентрации·10-3 моль/л. Затем эти растворы сливались в равных объемах (для упрощения расчетов концентраций облученных трехкомпонентных растворов). Таким образом, первоначальный раствор имел концентрацию трипафлавина 10-3 моль/л, а малахитового зеленого – 5·10-4 моль/л. Цвет получившегося раствора в стандартной стеклянной кювете (площадь поперечного сечения 1 см х 1 см. = 1 см2) был темнозеленым (почти черным), что соответствует полоске под № 0 на рисунке 2. Учитывая, что время «полуразрушения» малахитового зеленого в расчете на мощность дозы 1 Гр/с равно 3,80·102 с, его концентрация в растворе при дозе облучения 380 Гр уменьшится вдвое и составит 2,5·10-4 моль/л, а концентрация трипафлавина при этом составит 8,0·10-4 моль/л (для трипафлавина t1/2 = 10,5·102 с). Цвет полученного раствора соответствует цвету полоски № 1 на рисунке 2. При дозе облучения 760 Гр концентрация малахитового зеленого в растворе уменьшится в четыре раза и составит 1,25·10-4 моль/л, а концентрация трипафлавина при этом составит 6,4·10-4 моль/л (цвет полученного раствора соответствует цвету полоски № 2 на рисунке 2). Таким образом, разбавляя растворы каждого красителя в нужной пропорции и сливая их вместе в равных объемах,

85

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

получаем растворы соответствующего цвета, показывающие изменение цвета трехкомпонентного раствора при увеличении дозы облучения (рисунок 2). Из рисунка 2 видно, что цвет раствора при увеличении дозы облучения изменяется от интенсивного зеленого до оранжевого (оранжевый цвет соответствует цвету раствора более радиационно стойкого красителя – трипафлавина), при этом уменьшается насыщенность цвета.

Рисунок 2 – Градуировочная цветовая шкала для трехкомпонентного водного раствора рипафлавин (первоначальная концентрация 10-3 моль/л) + малахитовый зеленый (первоначальная концентрация – 5·10-4 моль/л): 0 – необлученный раствор; 1 – доза облучения 380 Гр; 2 – 760 Гр; 3 – 1140 Гр; 4 – 1520 Гр; 5 – 1900 Гр; 6 – 2260 Гр; 7 – 2660 Гр; 8 – 3040 Гр; 9 – 3420 Гр; 10 – 3800 Гр

Важную роль играет выбор первоначальных концентраций красителей трехкомпонентного раствора. Если оптическая плотность трехкомпонентного раствора больше примерно 2,5, то цветовые различия между несколькими первыми полосками будут небольшими, что уменьшает точность визуального определения поглощенной дозы (полоски №№ 1 – 3, на рисунке 2). Высокая первоначальная концентрация раствора позволяет увеличить диапазон регистрируемых визуально радиационных доз (от первоначальной концентрации до практически полного обесцвечивания раствора), но уменьшает точность определения дозы, а уменьшая первоначальную концентрацию можно увеличить точность, но при этом уменьшается регистрируемый диапазон доз. Поэтому первоначальные концентрации красителей в трехкомпонентном растворе следует подбирать исходя из конкретных требований, предъявляемым к дозиметрам данного типа. На рисунке 3 представлена градуировочная цветовая шкала, для водного трехкомпонентного раствора фуксин основание (более радиационностойкий раствор) + малахитовый зеленый, концентрация первого красителя в данном растворе составляла 5,5·10-5 моль/л, второго – 7,5·105 моль/л. Цвет раствора при увеличении дозы облучения изменялся от фиолетового до розового (величина шага градации 200 Гр).

86

Рисунок 3 – Градуировочная цветовая шкала для трехкомпонентного водного раствора фуксин основание (первоначальная концентрация 5,5·10-5 моль/л) + малахитовый зеленый (первоначальная концентрация – 7,5·10-5 моль/л): 0 – необлученный раствор; 1 – доза облучения 200 Гр; 2 – 400 Гр; 3 – 600 Гр; 4 – 800 Гр; 5 – 1000 Гр; 6 – 1200 Гр; 7 – 1400 Гр; 8 – 1600 Гр; 9 – 1800 Гр; 10 – 2000 Гр

На рисунке 4 представлена градуировочная цветная шкала, для водного трехкомпонентного раствора фуксин основание + малахитовый зеленый таких же концентраций красителей как на рисунке 3, но с учетом добавления в трехкомпонентный раствор ортофосфорной кислоты (H3PO4) концентрации 8·10-3 моль/л, что позволило улучшить цветоконтрастные характеристики раствора.

Рисунок 4 – Градуировочная цветовая шкала для трехкомпонентного водного раствора фуксин основание (первоначальная концентрация 5,5·10-5 моль/л) + малахитовый зеленый (первоначальная концентрация – 7,5·10-5 моль/л) с добавлением в раствор ортофосфорной кислоты концентрации 2·10-2 моль/л: 0 – необлученный раствор; 1 – доза облучения 200 Гр; 2 – 400 Гр; 3 – 600 Гр; 4 – 800 Гр; 5 – 1000 Гр; 6 – 1200 Гр; 7 – 1400 Гр; 8 – 1600 Гр; 9 – 1800 Гр; 10 – 2000 Гр Литература Попечиц, В.И. Влияние гамма-облучения на спектры поглощения растворов кислотных красителей / В.И.Попечиц // Журнал прикладной спектроскопии. – 2003. – Т. 70, № 1. – С. 34–37.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 621 АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОПРОФИЛЕЙ Исаев А.В., Матвеенко В.Ю., Шавела Е.Ю., Кузнецов В.Ю. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Металлические профили имеют достаточно широкий ассортимент, что позволяет применять их в большом количестве конструкций и сооружений в качестве строительного материала или армирующей конструкции. Линия для производства армирующих профилей позволяет производить усилительные несущие элементы для различных изделий. Например, окон ПВХ, пластиковых входных групп, конструкций для возведения павильонов и витрин и многое другое. Оборудование для строительных профилей также дает возможность выпуска изделий разного вида и широкого диапазона использования. В частности, такие профили могут быть элементом строительной или отделочной конструкции, выступать в качестве надежного каркаса, обрешетки и пр. Полностью автоматизированная линия производства профилей имеет общий вид, представленный на рисунке 1 и состоят из: ‒ разматывающего металл устройства; ‒ контроллера петли; ‒ прокатного стана, дополнительно выполняющего профилирование металла; ‒ сменных калибров; ‒ шкафа управления; ‒ гидравлического пресса; ‒ стола сортировки и упаковки готовых изделий.

Рисунок 1 – Автоматизированная линия производства профилей

Однако, в настоящее время, все чаще приходится формировать производственные процессы на оборудовании 20–30 летней давности. Это касается и направления изготовления металлопрофиля. И если автоматизированного оборудования для изготовления аллюминевого или тонкостенного железного профиля на рынке предлагается достаточно, то со станками, которые работают с

толстостенным материалом, существует пробел. И решение данной задачи возможно двумя путями – покупка соответствующего профессионального оборудования или модернизация, имеющихся данной категории, ресурсов. Первый вариант достаточно дорогой, и, при этом, требует высококлассного персонала для обслуживания и эксплуатации. Чаще всего в наших реалиях второй вариант является более предпочтительным. Однако, в этом случае, что касается механики, гидравлики, приводов и других механических и электромеханических частей оборудования, то здесь проблемы отсутствуют. Однако, если говорить о системах организации и управления техническими процессами – то здесь все достаточно плохо. Информационно-измерительные системы тех лет, как правило, построены на основе аналоговой техники. А это, следовательно, вопросы в ограниченных возможностях по автоматизации, невысокие точность и надежность, большие габариты и, самое главное, отсутствие возможности по непосредственной модернизации алгоритмов управления производств. По этому все чаще встает вопрос по полной замене штатной системы управления на современную, с введением дополнительных возможностей. Целью данной работы создать на основе отдельных станков единую систему по изготовлению элементов металлопрофиля. При этом, с одной стороны, максимально использовать штатное оборудование, имеющееся на производстве с минимальными изменениями в конструкции самих приборов и в алгоритме их функционирования, с другой - организовать систему управления, имеющую большие возможности по автоматизации и при этом не требующие большой квалификации от обслуживающего персонала. В наличие на произодстве присутствовал следующий перечень станков, необходимый для производства автоматизированной линии: разматывающего металл устройства, прокатного стана, с возможностью профилирование металла и гидравлического пресса. Дополнительно в конструкцию необходимо установить устройство отсчета длины выпускаемых изделий и стола с возможностью сортировки и упаковки готовых изделий. Для организации работы представленного оборудования разрабатывается информационноизмерительная система, которую структурно можно представить рисунком 2. Из структурной схемы мы можем наблюдать что, данные с систем защиты будет поступать на микроконтреллер. Управление информацией на

87

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

микроконтроллере будет осуществляться при помощь клавиатуры, а вывод о результате будет отображен на индикаторе. Микроконтроллер будет служить для управления двигателем, а так же станка вырубки заготовки. Все процессы торможения в том числе управляются с помощью микроконтроллера.

пневматическое удаление детали. Так же, для получения необходимого числа деталей,происходит сравнение с заданными параметрами по количеству циклов. Если количество деталей не совпадает с заданным числом, цик будет повторять подачу заготовки до необходимого числа деталей. После чего осуществляется остановка системы вырубки и поступает информация на индикатор о завершенной работе. Начало Загрузка параметров работы системы

Остановка подачи

Проверка давления в системе

Тормоз системы подачи

Проверка наличия персонала в опасной зоне

Пневматический прижим Подача сигнала на блок вырубки

Запуск двигателя системы вырубки

Рисунок 2 – Структурная схема системы управления станка производства профилей

Общий алгоритм работы автоматизированной линии представлен на риунке 3. Из данного алгоритма мы наблюдаем что, для запуска работы двигателя, первоначально должны осуществить загрузку данных системы. После чего должна осуществляться проверка технического оснащения и давления в системе. Аналогично осуществляеться проверка на наличия персонала в опасной зоне. Эти требования необходимы для собюдения правил технической безопастности. После запуска двигателя идет подача ленты с установленной скоростью, после которой осуществляется проверка длины заготовки. Если заготовка не равна заданным параметрам будет оуществляться подача ленты в обратном направлении. После чего будет повтовное сравнение с заданными параметрами. Данное действние будет повторяться до того момента пока загатовка не будет нужных параметров. Затем, как заготовка будет заданных параметров, осуществляется остановка ленты. Так же будет осуществляться пневматический прижим, который необходим для выполнение всех заданных параметров. Затем поступаем сигнал на блок вырубки, происходит

88

Пневматическое удаление детали

Подача ленты с установленной скоростью

да

Включение блока пневматического тормоза подачи

Длина меньше заданной?

нет

нет Длина равна заданной?

да

Подача ленты в обратном направлении

Длина равна заданной?

да Остановка движения системы вырубки

нет

нет

Заданное количество циклов?

Отображение информации на индикаторе да

Конец

Рисунок 3 – Алгоритм работы автоматизированной линии станка производства профилей Литература 1. Линия для производства гипcокартонных профилей (система KNAUF) // Эктронный ресурс, https://meer.group/liniya-dlya-proizvodstva-profilej-dlyamontazha-gipsokartonnyix-plit-(sistema-knauf).

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

УДК 519.712.2 ВИРТУАЛЬНЫЕ МАШИНЫ КАК СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Лебедев А.Н., Курганов Н.С. Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана Москва, Российская Федерация Введение. Многие разработчики ПО прибегают к защите кода путем использование виртуальных машин (далее VM). Единые подходы к анализу структуры VM отсутствуют, что сильно затрудняет анализ программного обеспечения. В докладе анализируются общие подходы к анализу VM, например, метод анализа "black box", а также визуализация структуры работы VM и статистика по количеству приходящих на анализ файлов в вирусную лабораторию, защищенных VM. Вне зависимости от сложности кода, который виртуализирован, за короткий промежуток времени вполне реально составить общую картину его работы. Знание типовой внутренней структуры VM и некоторые тонкости ее работы в сумме дают возможность получить больше информации, используя возможности отладчика. В некоторых случаях возможно обойтись скриптовым языком отладчиков и выполнить «трассировку кода» VM, не прибегая к написанию сложных инструментов. Виртуальная машина – это некий процессор (то что эмулируется виртуальной машиной) внутри основного PE-файла (исполняемого файла под Windows) со своим набором инструкции (т.е. инструкций, отличных от ассемблерных стандартный инструкций). Наиболее популярные VM это VMProtect и Themida. Используются в основном в защитных системы от кражи лицензионных видеоигр типа DENUVO, SecuROM, StarForce и т. д. Общий алгоритм работы виртуальной машины: 1. В точку входа виртуальной машины передается шифрованный указатель на начало ленты P-code. 2. Инициализируются виртуальные регистры и расшифровывается указатель на начало ленты P-code, который был передан в VM ранее. 3. Загружается в одни из виртуальных регистров указать на таблицу хендлеров. 4. Происходит чтение и расшифровка ленты P-code. 5. Расшифрованный байт ленты P-code в большинстве случаев складывается с указателем на выполняемую инструкцию в таблице хендлеров. Таким образом из таблицы хендлеров получаем адрес следующей выполняемой виртуальной инструкции (хендлера). 6. Лента P-code считывается, пока не будет достигнут ее конец и выход из виртуальной машины. 7. Аналогично происходит выполнение инструкций виртуальной машины из таблицы хендлеров.

8. По окончанию работы виртуальный машины достигается выход из виртуальной машины и происходит дальнейшее выполнение программы. 9. Sandbox, она же песочница. Это некая среда, которая на 100% эмулирует любую операционную систему (далее ОС) на компьютере. Работает аналогично средам виртуализации таким, как VMware, Virtual box, но у нее отсутствуют артефакты сред виртуализации.

Рисунок 1 – Структура виртуальной машины

Рисунок 2 – Подходы к анализу VM

Анализ на основе статистики вызовов VM – метод анализа основан на статистики по тому, насколько частно VM внутри себя вызывает те или иные функции. Благодаря этому можно сосредоточить анализ именно на тех функция, которые вызываются редко. Таким образом данный метод позволяет анализировать не всю виртуальную машину, а только действительно важные функции, которые использует VM. В подавляющем большинстве, особенно если это языковые операторы memcpy и WinAPI, ленту P-code (в случае виртуальной машины VMProtect она находится в push) можно сразу начать анализ именно с этой процедурой. Для чего это нужно? Мы можем просканировать весь файл и посчитать, сколько всего push (p-code) call VM_ENTER инструкций в нем. Таким образом мы можем сконцентрироваться на анализе функций, которые вызываются редко, и они отвечают за всю логику работы VM. Быстрый анализ VM на основе таблицы хендлеров – это непосредственный разбор самих

89

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

функции – команды, которые поддерживает данная VM. Данные команды содержатся в таблице хендлеров. Зная описания каждой команды в таблице хендлеров мы знаем как работает VM. Если VM использует таблицу хендлеров, то её правильное декодирование поможет сразу, в статическом режиме, получить хендлеры VM, а в дальнейшем – поставить точки останова в ней, что предоставит возможность снятия трассировок. Это крайне важный момент, который обеспечит быстрый анализ VM на низком уровне. Если удастся собрать трассировку выполнения VM, то можно построить некоторую модель поведения, которую можно использовать в качестве детектирования для вредоносной программы. Что, собственно, представляет собой таблица хендлеров и что понимается под словом хендлер? VM – в первую очередь, это процессор, который имеет свой ограниченный набор инструкций, которые мы и называем хендлером: прочитать, записать, сложить и т.д. В подавляющим большинстве случаев этот размер = 256 (0-0xFF, 1 байт) [2]. Это размер по умолчанию для таблицы хендлеров. Процессор должен знать, точный адрес, где находится каждая инструкция, чтобы её использовать. Любой исполняемый файл, защищенный VM, может рассматриваться вирусным аналитиком или исследователем не только, как упакованный разными упаковщиками исполняемых файлов, например, UPX. Из него получается следующую информация: ‒ общее количество VM, которые содержаться в файле; ‒ таблица хендлеров для каждой машины. Типы хендлеров. Характерная модель поведения VM, присущая именно этой программе;

‒ на основании таблицы хендлеров составляется процент покрытия кодом VM в соотношении с основным незашифрованным кодом программы. Как минимум, эти метрики и данные используются в качестве детектирования похожих вредоносных файлов. А собственно, как максимум – возможность девиртуализации кода, защищенного VM. В итоге имеем общую схему внутреннего устройства виртуальной машины (см. Рис. 3).

Рисунок 3 – Внутреннее устройство виртуальной машины

Таким образом, виртуальные машины могут рассматриваться как одно из эффективных и удобных средств защиты программного обеспечения от злонамеренных воздействий со стороны как вирусного ПО, так и других хакерских приемов. Литература 1. Крепыш, 2011. Хабрахабр. https://habr.com/ru/ sandbox/26302/. 2. 2019. VMProtect – Справочник исследователя программ. https://exelab.ru/faq/VMProtect. 3. eXeL@B, 2019 Реверс VMProtect. https://exelab.ru/f/index.php?action=vthread&forum=13&topic= 25221.

УДК 519.712.2 О ПРОБЛЕМЕ РЕАЛИЗАЦИИ ДИСПЕТЧЕРА ДОСТУПА К ДОКУМЕНТАМ Лебедев Г.А., Родионов Д.Е., Лебедев А.Н. Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана Москва, Российская Федерация В любой автоматизированной системе в защищенном исполнении (АСЗИ) механизм управления доступом субъектов к объектам доступа выполняет основную роль в обеспечении конфиденциальности защищаемых данных. Реализация этого механизма обычно строится на концепции единого диспетчера доступа (ДД). Сущность этой концепции состоит в том, что диспетчер доступа выступает посредником-контролером при всех обращениях всех субъектов системы к ее объектам. В качестве базовой платформы для использования в АСЗИ выступает операционная система

90

Astra Linux Special Edition. Данная операционная система серифицированна в Российской Федерации для обработки информации ограниченного доступа, различных уровней конфиденциальности [1]. При разработке АСЗИ возникает задача реализации механизма разграничения доступа к объектам (документам), доступ к которым не может быть разграничен непосредственно ОС, так как в ОС объектами разграничения длоступа являются, в первую очередь, файлы. В этом случае возникает задача разработки защищенного приложения – ДД для реализации данных функ-

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

циональных возможностей [2]. Решение этой задачи, первым этапом требует проведение анализа существующих механизмов безопасности ОС для определения механизмов, которые могут быть использованы для основы ДД. На втором этапе выполнена разработка архитектуры приложения, реализующего функции диспетчера доступа. Для реализации диспетчера доступа к электронным документам под управлением ОС Astra Linux SE невозможно использовать существующие механизмы разграничения доступа, поскольку «электронный документ» может состоять из набора следующих элементов: ‒ набор файлов (например, с телом документа и его версиями); ‒ набор метаданных (например, реквизиты документа, фактографические данные). Набор файлов электронного документа должен храниться и обрабатываться непосредственно в файловой системе (файловом хранилище), а метаданные документа гораздо удобней хранить непосредственно в СУБД. Однако в этом случае для организации работоспособной системы разграничения доступа к таким электронным документам использовать отдельно только механизмы разграничения доступа ОС или только механизмы разграничения доступа СУБД не получится, так как нельзя полностью отобразить такой «электронный документ» только в объекты файловой системы или в только в объекты под управлением СУБД. Таким образом, необходимо разработать некоторую новую сущность – диспетчера доступа, разграничивающий доступ к объектам доступа типа «документ» под управлением ОС Astra Linux. ДД является промежуточным звеном между сервером системы и клиентскими приложениями, все соединения устанавливаются через него и им контролируются, кроме того, в ДД должен быть реализован весь функционал разграничения доступа к объектам защиты. Рассмотрим основные функциональные задачи, возлагаемые на диспетчер досткпа. Поддержка соединений клиента с сервером приложений. Все соединения между клиентскими приложениями и сервером системы устанавливаются с ДД. В свою очередь ДД соединяется с сервером приложений, открывая новые соединения с сервером для каждого установленного соединения с клиентскими рабочими местами. Таким образом, ДД получает возможность анализировать весь поток данных между клиентом и сервером приложений, при этом он имеет возможность выяснять корректность всех передаваемых клиентскими приложениями запросов к серверу приложений с точки зрения установленной в системе политики безопасности и, в случае

необходимости, может не пропускать некорректные запросы клиентских приложений или некорректные с точки зрения политики безопасности ответы сервера приложений. При этом ДД сам формирует сообщения об ошибке в форматах, принятых для отвергнутых запросов, и передает их на клиентские приложения. Получение от базовой ОС идентификационной информации о пользователях. Указанная задача является одной из основных задач для ДД. Извлекаемая им из контекста безопасности, полученного из именованного канала обмена данными, информация используется как для идентификации и аутентификации пользователей при их входе в систему, так и для выяснения различных характеристик (свойств) пользователей, учитываемых при работе системы, а именно, членство пользователей в различных группах, задаваемых в рамках системы управления учетными записями, наличие у них определенных административных привилегий и другие. В базе данных учетных записей хранится список идентификаторов (SID) всех пользователей, которые имеют право работать с данным сервером, а также список идентификаторов (SID) всех учетных записей, имеющих права для запуска сервисов системы обмена документами. При попытке соединения с сервером первоначально выполняется проверка наличия SID соединяющегося пользователя в этом списке. Контроль доступа. Для реализации принципов дискреционного контроля доступа пользователей к электронным документам, в базе данных ДД хранится вся необходимая идентифицирующая информация о документах (объектах доступа) и списки доступа пользователей (субъектов доступа) к каждому из указанных документов. Проверка допустимости операций осуществляется при получении с клиентского места каждого запроса на выдачу документа для чтения или записи (редактирования), а также при получении запросов пользователей на удаление документа. Дополнительно проверяется допустимость операции выдачи пользователю каждого файла, содержащегося в рамках данного электронного документа. В базе данных ДД хранятся числовые значения, определяющие уровень доступа документа и его мандатные метки. Проверка допустимости выдачи документа конкретному пользователю производится непосредственно при получении его запроса на выполнение конкретного запрашиваемого действия с документом. В базе данных диспетчера доступа хранятся все необходимые атрибуты доступа, проверка допустимости выполняется как при получении запроса на выдачу объекта, так и при отправке клиентскому приложению полученного от Сервера приложений пакета данных.

91

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Протоколирование, оповещение и блокировки. ДД выполняет записи в протокол безопасности как самостоятельно, так и по команде от клиентских приложений. Самостоятельно протоколируются плановые действия такие, как вход пользователя в систему, изменение прав доступа к объектам, выдача объектов пользователям для просмотра и редактирования. Также ДД протоколирует события, которые могут рассматриваться как попытки несанкционированного доступа, например, запрос объекта, не стоящего на контроле ДД. По команде с клиентских приложений протоколируются так называемые «события второй категории», например, отрицательный результат проверки электронной подписи пользователя под конкретным файлом, что может быть следствием искажения содержащегося в файле документа при его хранении или передаче по каналам связи. Для событий, требующих немедленного вмешательства администратора безопасности, должна быть предусмотрена отправка ДД сообщения на АРМ аудитора системы (он же АРМ администратора безопасности ОС). Должна быть предусмотрена также возможность блокировки документов в случаях, когда администратору безопасности необходимо прекратить работу пользователей системы с документом для расследования внештатных ситуаций (попытки несанкционированного доступа, некорректные действия сотрудников). В этом случае документ блокируется по команде с АРМ администратора ОС или с клиентского рабочего места (автоматически, скрытно от пользователя), после чего этот документ не может быть выдан ни одному пользователю, кроме администратора безопасности. Разблокирование документа доступно только администраторам безопасности. Алгоритм работы диспетчера доступа. Алгоритм функционирования диспетчера доступа к

документам для операционной системы Astra Linux состоит в следующем: ‒ пользователь обращается к web-серверу с запросом на доступ; ‒ сервер проверяет результаты идентификации пользователя (в случае использования сервиса Astra Linux Directory и единого пространства пользователей) или запрашивает у пользователя логин и пароль для собственной автономной процедуры идентификации и аутентификации; ‒ в случае если пользователь успешно идентифицирован, web-сервер предоставляет пользователю список документов, иначе передается сообщение об отказе в доступе; ‒ пользователь выбирает документ из предоставленного списка документов; ‒ web-сервер передает запрос на доступ (в составе идентификатора документа, идентификатора пользователя, типа доступа) программному модулю диспетчера доступа; ‒ модуль диспетчера доступа проверяет установленные права доступа к документу для пользователя, по идентификатору документа из запроса и идентификатору пользователя из запроса; ‒ при разрешении на доступ модуль диспетчера доступа возвращает web-серверу карточку документа (список файлов и метаданные документа); ‒ при отказе в доступе модуль диспетчера доступа возвращает web-серверу сообщение об отказе в доступе. Литература 1. П.В. Буренин, П.Н. Девянин, Е.В. Лебеденко, В.Г Проскурин, А.Н. Цибуля: Безопасность операционной системы специального назначения Astra Linux Special Edition, М. Учебное пособие для вузов / Под редакцией доктора тех. наук П.Н. Девянина. 2. А.А. Грушо, Э.А. Применко, Е.Е. Тимонина: Теоретические основы компьютерной безопасности, учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Издат.центр «Академия», 2009.

УДК 519.712.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ МИНИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ РАЗДЕЛЯЮЩЕЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЛЕЖАНДРА Лебедев А.Н., Кокорин А.О., Савельев Е.Д. Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Москва, Российская Федерация Введение. Для создания специализированных микроконтроллеров, реализующих оптимальным образом однонаправленные функции криптографических преобразований, составляющих базовые компоненты протокола выработки общего секрета Диффи – Хеллмана важно точно представлять на какой минимальной длине различных двоичных представлений чисел по модулю большого простого числа можно гарантировать однозначность такого представления

92

чисел. Поэтому мы провели целый ряд экспериментальных исследований, позволяющих выдвинуть достаточно обоснованные гипотезы о характере поведения минимальной длины такого представления на основе последовательностей Лежандра. Дадим определение последовательности Лежандра [1]. Пусть p – простое число. Целое число a называется квадратичным вычетом по модулю p,

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

если разрешимо сравнение x2 ≡ a (mod p). Если указанное сравнение не разрешимо, то число a называется квадратичным невычетом по модулю p. Символ Лежандра – это функция от двух аргументов a и p, которая определяется как: (a|p) = 1, если число a является квадратичным вычетом по модулю p; (a|p) = -1, если число a не является квадратичным вычетом по модулю p (в этом случае говорят, что а является квадратичным невычетом по модулю р). Последовательность Лежандра длины n с началом в точке а – это последовательность значений символа Лежандра на последовательных значениях аргумента а: т. е. это последовательность значений символа Лежандра вида ((a+i)|p), где i = 0, 1, 2, …, n-1. По малой теореме Ферма для любого простого числа р последовательность Лежандра достаточно большой длины, начинающаяся с любого уелого числа а является периодической с периодом р – 1. Рассмотрим значения минимальной длины последовательности Лежандра для заданного простого числа р, при которой все подпоследовательности Лежандра, имеющие длину не менее данной величины уникальны в бесконечной периодической последовательности Лежандра, построенной для заданного простого числа р. Для этого мы реализовали компьютерную программу расчета минимальной длины, при которой различаются все подпоследовательности Лежандра, имеющие длину не менее заданной величины. Алгоритм расчета этой минимальной длины разделяющей подпоследовательности Лежандра выглядит следующим образом. Алгоритм: 1. Возьмем простое число р. 2. Построим мультипликативную конечную циклическую группу по модулю данного простого числа р. Группа эта будет состоять из р-1 элемента, а именно – из степеней любого первообразного по модулю р элемента a – образующего эту циклическую группу {a, a2, a3, a4, …, an-1 = 1} 3. Возьмем циклическую последовательность целых чисел: 1, 2, 3…, р-1, 1, 2,…, р-1, 1, 2, … Каждому элементу этой последовательности поставим в соответствие значение 1 или -1 в зависимости от четности степени данного числа в данной конечной циклической группе. 4. Получим последовательность из чисел 1 и -1. Найдем минимальную длину, при которой в построенной последовательности не будет повторяющихся подпоследовательностей. Рассмотрим простой пример: простое число р = 23. Образующий элемент мультипликативной группы – а = 5. Мультипликативная группа, записанная по возрастанию показателя степени образующего элемента а состоит из следующих чисел {5, 2, 10, 4, 20, 8, 17, 16, 11, 9, 22, 18, 21, 13, 19, 3, 15, 6, 7, 12, 14, 1}. В таблице 1 мы сопоставляем квадратичному вычету знак "+", а квадратичному невычету – знак "-".

Таблица 1 – Последовательность Лежандра для мультипликативной группы вычетов по модулю р = 23 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 + + + + + + + 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 + + + + -

Результаты эксперимента. В резултате работы написанной авторами компьютерной программыбыли получены точные значения минимальных значений длины последовательности Лежандра, начиная с которых все последовательности данной длины уникальны для простых чисел в интервале от 3 до 2450000 (см. рис. 1):

Рисунок 1 – Распределение минимальных значений длин для уникальной последовательности

Рисунок 2 – Нижняя и верхняя границы распределения

Рисунок 3 – Аппроксимация кривой 3.07ln(x)

На основе показанного на рис. 1 графика была высказана гипотеза о том, что нижняя граница распределения минимальног значения длины разделяющей последовательности Лежандра подчиняется логарифмическому закону (рис. 2). Приблизительное значение нижней границы может быть задано следующей формулой: 7,2ln(x) – 5.

93

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Вычислим отклонения групп от аппроксимации и сведём эти значения одной диаграмме (см. рис. 4). Видим, что большая часть групп находится вблизи нулевого отклонения, что косвенно подтверждает правильность аппроксимации логарифмической функцией 3.07ln(x). Вывод. Предложены гипотезы аппроксимации и нижней границы распределения значений минимальной длины кодирующей последовательности с использованием последовательности Лежандра.

Рисунок 4 – Аппроксимация кривой 3.07ln(x) Предположим, что распределение аппроксимируется логарифмической функцией. Тогда вычислим аппроксимирующую функцию, найдя минимальное стандартное отклонение. Получим функцию 3.07ln(x). Стандартное отклонение: 4,291 (см. Рис. 3).

Литература 1. Виноградов, И.М. Основы теории чисел. / И. М. Виноградов. – Москва : Издательство Юрайт, 2018. – 102 с. – (Антология мысли). – ISBN 978-5-534-06155-0. – Текст : электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. – URL: https://biblio-online.ru/bcode/411202 2. Манин Ю. И., Панчишкин А. А. Введение в теорию чисел. – М.: ВИНИТИ, 1990. – Т. 49. – 341 с. – (Итоги науки и техники. Серия «Современные проблемы математики. Фундаментальные направления».). 3. Нестеренко Ю. В. Теория чисел: учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 272 с.

УДК 004.056 СИСТЕМА ЗАЩИТЫ АТМ ОТ BLACKBOX АТАК НА БАЗЕ БЕСПРОВОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ LORA Волков М.А., Рафиков А.Г. Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Москва, Российская Федерация В статье рассмотрена проблема уязвимости физического канала передачи данных в АТМ к атакам типа BlackBox. Приведен обзор сетевых технологий передачи данных, на основе которого произведен выбор наиболее подходящего варианта организации связи между главным компьютером и диспенсером АТМ. Рассмотрен принцип программно-аппаратной защиты от BlackBox атак. Данная статья направлена на изучение возможностей, предоставляемых протоколом LoRa в области обеспечения информационной безопасности. Ключевые слова: АТМ, банкомат, безопасность, LoRaWAN, уязвимость канала передачи данных, диспенсер. Введение. Классическим примером Банковского устройства самообслуживания (БУС), которое необходимо защищать от злоумышленников является банкомат (ATM - от англ. Automated teller machine) Банкомат представляет особенный интерес для злоумышленников и как непосредственное хранилище денег. Несмотря на то, что деньги хранятся в защищенном сейфе, злоумышленники находят способы добраться и до них. Помимо радикальных методов преступников, например, подрыва газом или кражи банкомата, широкое распространение последнее врем получили

94

высокотехнологичные атаки, – на уровне программного обеспечения банкомата, сетевого взаимодействия, подсистемы управления периферийным оборудованием банкомата, а также атаки с использованием аппаратуры – BlackBox атаки. По данным Европейской ассоциации по безопасности транзакций, за первое полугодие 2017 года в Европе было совершено 114 атак типа BlackBox (BB) [1], за 2016 г. было зафиксировано 28 случаев обнаружения BlackBox, исходя из этого рост популярности данного вида атаки составил 307 %. Исходя из исследований, проведенных компании Positive Technologies, к BlackBox атаке уязвимы 69% рассмотренных банкоматов [2]. BlackBox атаки на АТМ. Blackbox атака - это активная атака с блокировкой передачи информации [3], злоумышленнику требуется определить факт выполнения команды (передача команды от главного компьютера к диспенсеру), перехватить эту команду, чтобы она не достигла диспенсера. Злоумышленники подключают свое устройство в канал связи между главным компьютером (системным блоком) и диспенсером, тем самым полностью контролируют проходящий через него трафик [2]. Такое подключение не вызывает особых трудностей, ведь интерфейсы системного

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

блока и диспенсера стандартные, сейчас в банкоматах используются, преимущественно USB шины, предыдущие поколения АТМ использовали шины SDC (RS485) [4]. Уязвимым местом в данной атаке является канал передачи данных между главным компьютером и диспенсером [4], поскольку именно здесь происходит модификация данных. Необходимость в защите канала очевидна, необходимо добиться невозможности злоумышленником перехватывать данные канала [4], через который идут команды диспенсеру. Защита от BlackBox атак. Для защиты от атак типа BlackBox создают защищенный канал передачи данных. Для этого создается устройство, которое соединяет главный компьютер с диспенсером, и шифрует весь проходящий трафик, что в теории должно обеспечить должный уровень защиты [4]. Однако, такие устройства на сегодняшний день имеют ряд недостатков. Например, наиболее распространенные устройства защиты Cerber Lock, разработка компании ANSWER Pro, и ATM Keeper, разработка компаний ООО ARTIFAKTS и ОАО КР и СО, имеют главный недостаток в том, что они устанавливаются в разрыв канала связи с диспенсером и существенно снижают надежность, и быстродействие банкомата. К тому же такие устройства на данный момент лишь частично закрывают эту проблему [4]. Альтернативой может стать создание дополнительного защищенного канала, на основе беспроводных технологий, для передачи закрытой информации: команд управления и служебной информации Подсистемы безопасности банкомата. Дополнительно к штатному проводному соединению целесообразно добавить защищенный беспроводной канал для обмена конфиденциальной служебной информацией. При этом, дополнительный канал Подсистемы безопасности АТМ не вклинивается в штатные информационные каналы банкомата, не создает дополнительного трафика, не ухудшает параметры функционирования АТМ. Принцип работы предлагаемого программно-аппаратного устройства защиты от кибератак. Особенностью BlackBox атак является то, что генерация команды на выдачу банкнот происходит в операционной среде банкомата или в нелегальном устройстве, напрямую подключенном к информационной шине банкомата, в то время как легальная команда поступает от процессингового сервера [4]. Предлагаемое программно-аппаратное решение (рис.1) основывается на анализе причинноследственных связей рабочих алгоритмов, главного компьютера и оборудования банкомата, последующей передаче достоверной информации о

текущих командах и ожидаемом состоянии оборудования по безопасному беспроводному каналу связи в Систему безопасности банкомата (СББ), а именно, Блокиратору, который анализирует текущее состояние защищаемого оборудования и полученную по штатному и безопасному беспроводному каналу информацию. Если получаемые по штатному и безопасному каналу команды, данные и данные о текущем состоянии оборудования не совпадут, то СББ зафиксирует атаку на АТМ и заблокирует его, если совпадут, то АТМ продолжит штатную работу.

Рисунок 1 – Программно-аппаратное устройство защиты банкомата

Команда управления, сгенерированная на оборудовании злоумышленника, будет зарегистрирована системой, как несоответствующая управляющему алгоритму и модели функционирования защищаемого объекта, и будет считаться нелегальной, и не может быть проигнорирована системой безопасности, которая инициирует сигнал блокировки защищаемого объекта. Для полноценной защиты - «Блокиратор» и комплект необходимых датчиков размещают в физически недоступном для злоумышленников отсеке – сейфе банкомата. Канал связи с системным блоком защищают от несанкционированных воздействий – для этого используют, помимо штатного канала связи – Системный блок-шина USB–USB–HUB–Dispenser, беспроводной канал обмена специализированного ПО Подсистемы безопасности банкомата (рис. 1) обеспечивают защиту информационного канала, используя криптостойкие алгоритмы защитного кодирования части управляющего трафика и взаимную

95

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

аутентификацию приемопередатчиков, подключенных к информационной шине. В настоящее время повсеместно применяются для решения широкого круга задач различные беспроводные протоколы передачи данных, которые эффективно могут быть использованы в Системах безопасности АТМ. Для обоснования выбора подходящего протокола для задач безопасности БУС рассмотрим параметры некоторых беспроводных протоколов передачи данных: SigFox. ‒ Низкая скорость передачи данных - не более 1 кб/с; ‒ Малая пропускная способность сети - 140 сообщений по 12 байт в день, в случае использования сети [5, 6]; ‒ 100 бит/с при использовании соединения M2M [5]; ‒ Проприетарная технология; ‒ Не поддерживает двунаправленность обмена; Wheighless. ‒ Синхронная сеть [6]. ‒ Не предусмотрен режим работы M2M (конечное устройство с конечным устройством). GSM LTE. ‒ Дорогие тарифы. ‒ Лицензируемые частоты. Стриж (разработка компании «Стриж-телематика»). ‒ Использует только один канал 868 МГц. ‒ Проприетарная технология. ‒ Скорость передачи 50 б/с. Bluetooth. ‒ Существуют проблемы с аутентификацией и приватностью [7]. ‒ Работает на частотах 2.4 ГГц [5]. ‒ Очень низкая проникающая способность. Анализ существующих беспроводных протоколов показывает, что SigFox, Weightless, отечественный «Стриж», Bluetooth, включая GSM LTE, версии M2M, имеют ряд существенных недостатков, которые не позволяют использовать их для обеспечения защищенного канала обмена закрытой служебной информацией в подсистеме безопасности банкомата. Для организации служебного защищенного канала передачи данных и команд в АТМ предлагается использовать протокол LoRaWAN – Long Range Wide Area Network, так как он лишен большинства недостатков своих конкурентов и обладает следующими преимуществами: ‒ open Sources – что позволяет самостоятельно разрабатывать ПО [8]; ‒ имеется встроенное шифрование AES128 [8]; ‒ имеет возможность передачи данных между конечными устройствами без использования маршрутизатора M2M [9];

96

‒ использует модуляцию в 500 кГц, что позволяет устойчиво передавать данные даже в сильно зашумленном канале; ‒ имеет шумоподобный сигнал, что сильно усложняет возможность выявления его из эфира; ‒ асинхронный – это преимущество, так как в случае синхронной передачи данных, можно отследить закономерности возникновения сигнала, тем самым скомпрометировать передачу данных [9]; ‒ приемлемая скорость передачи данных для организации дополнительного защищенного служебного канала [6]. ‒ используются несколько нелицензированных каналов (433 МГц и 868 МГц) – не надо платить за использование канала, можно менять канал для высокой устойчивости к помехам в эфире, ‒ на данный момент не выявлены случаи взлома или компрометации протокола. ‒ Недостатки протокола LoRa (не влияют на решение поставленных задач): ‒ невысокая скорость передачи данных (до 50 кб\с), зависящая от выбранного режима [8]; ‒ чипы производят только Semtech Преимущество использование протокола LoRa в системе защиты АТМ от BlackBox атак. Для построения надежной защиты ATM от Blackbox атак необходимо использовать криптозащищенный протокол, со встроенным шифрованием [8]. Протокол LoRa наилучшим образом отвечает всем требованиям к протоколам для организации безопасного беспроводного канала связи между компонентами системы безопасности АТМ. Преимущество полнодуплексной передачи данных позволяет не тратить время на прослушивание канала [10], а несинхронность передачи позволяет избежать выявления закономерностей в канале. Основной способ применения протокола LoRa в СББ (система безопасности банкомата) АТМ – организация служебного канала типа M2M [10]. По каналу LoRa будет передаваться только критичная информация, к примеру, сессионный ключ, или контрольная сумма, передаваемых команд по основному каналу связи USB [4]. Так как USB остается основным каналом передачи команд на диспенсер, злоумышленник захочет модифицировать команды диспенсера. Но у него это не получится, СББ сразу же зафиксирует ВВатаку, так как протокол LoRa защищен криптоалгоритмом AES128, который злоумышленник не сможет скомпрометировать. Данные, передаваемые через канал USB, не будут совпадать с контрольными данными, переданными через защищенный канал, подсистема безопасности АТМ заблокирует работу банкомата и уведомит службу безопасности банка о том, что происходит атака на банкомат.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Кроме того, по сети LoRaWAN может быть реализован обмен с сервером безопасности для удаленного обновления ПО СББ, например, «Блокиратора» и передачи сессионных криптоключей для шифрования команд, передаваемых по информационным каналам банкомата. Сеть LoRaWAN, может быть включена в подсистему Авторизации Сервисных служб и Службы инкассации АТМ и обеспечивать процедуру идентификации\аутентификации с использованием бесконтактных идентификаторов с LoRa интерфейсом. Вывод. Несомненным достоинством предложенного технического решения является то, что для построения эффективной защиты банкомата не требуется вся полнота информации о протоколах обмена с периферийными устройствами и о форматах передаваемых сообщений. Отсутствует внедрение в работу АТМ и изменение параметров и алгоритма его работы, при этом вмешательство в информационный обмен системного блока и периферийного оборудования полностью отсутствует, не нарушаются и не изменяются существующие связи и информационные потоки. Для передачи закрытой служебной информации и команд предлагается в составе СББ применять надежный, хорошо защищенный протокол связи LoRa, который позволит повысить степень защиты СББ АТМ. Это позволяет с уверенностью утверждать, что предложенный способ организации подсистемы безопасности АТМ с использованием защищенного канала передачи закрытых данных, обеспечит эффективную защиту от большинства

известных информационных атак на БУС, имеющих функции выдачи и хранении наличных денег. Литература 1. В банкоматах NCR устранены уязвимости, обнаруженные Positive Technologies // URL: https://www.securitylab.ru/news/494980.php 2. Positive Technologies. Сценарии логических атак на банкоматы, 2018. – С. 23. 3. Евсеев С.П., Король О.Г., Гончарова А.И. Радіоелектроніка, інформатика, управління // Построение моделей атак на внутриплатёжные банковские системы, 2010. № 1. – С. 56–66. 4. Зякин А., Кормин В. Способы несанкционированного снятия наличных из банкоматов, виды атак и способы защиты. 2017. 5. Ateam Scientific. IEEE 802.15.4g Stand. 2015. – C. 35. 6. Кумаритова Д.Л., Киричек Р.В. Обзор и сравнительный анализ технологий LPWAN сетей // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. – № 4. – С. 33–48. 7. Фомин М.И., Конев В.Н., Жорин Ф.В., Мулейс Р.Б., Тараканов О.В. Возможность осуществления атаки на системы автоматизации на основе уязвимостей Bluetooth-технологий // Спецтехника и связь. 2013. – № 1. – C. 40–42. 8. LoRa Alliance, Inc. LoRaWAN™ 1.1 Specification. 2017. pp 101. 9. Тихвинский В., Коваль В., Бочечка. Г. Технологая LoRa: перспективы внедрения на сетях IoT // Первая миля. 2016. С. 43–49. 10. Ferran Adelantado, Xavier Vilajosana, Pere TusetPeiro, Borja Martinez, Joan Melià-Seguí, Thomas Watteyne Understanding the Limits of LoRaWAN. 2017. p. 7.

УДК 628.74 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ДЫМОУДАЛЕНИЯ Галузо В.Е., Мельничук В.В., Пинаев А.И. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Минск, Республика Беларусь При проектировании в соответствии с [1] установок дымоудаления (ДУ) в составе систем противодымной защиты (ПДЗ) в первую очередь определяется весовой, а затем объемный расход удаляемой газодымовой смеси LД. Значение последнего определяется при нормированном [1] значении температуры удаляемых газов (более 3000С) для подбора вентилятора. Кроме LД для подбора вентилятора необходимо значение падения давления в сети РС установки ДУ. Давление РС рассчитывается в соответствии с [1] с учетом естественного давления газов PЕС, определяемого разностью удельных весов наружного воздуха и дыма (при температуре более 300 0С) и высотой шахты. При высоте шахты (здания) 50 м

PЕС ≈ 300 Па. Это давление вычитается из расчетного давления РС установки ДУ. Аэродинамические испытания установок ДУ проводятся при нормальной температуре в помещении (менее 30 0С). При таких температурах удельные веса удаляемого из помещения и наружного воздуха отличаются незначительно и давление PЕС составляет единицы Па, и им можно пренебречь. То есть измерения объемного расхода газа, удаляемого установкой ДУ проводятся при давлении в сети отличающегося от проектного значения, а значит производительность вентилятора и объемные расходы будут отличаться, что может привести к тому, что измеренное значение объемного расхода воздуха LВ будет существенно

97

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

отличаться от проектного LД (более 20 % [3]), что может быть причиной принятия решения о непригодности установки ДУ для эксплуатации. Предлагается при проектировании установок ДУ выбор вентилятора осуществлять с учетом давления газов PЕС при нормируемой температуре дыма (более 300 0С). Затем по аэродинамической характеристике выбранного вентилятора определять объемный расход удаляемого установкой воздуха при давлении в сети без учета давления PЕС газов (воздуха). На основании чего

определять объемный расход удаляемого через клапан ДУ воздуха LВ. Литература 1. ТКП 45-4.02-273-2012. Противодымная защита зданий и сооружений. Системы вентиляции. Строительные нормы и правила проектирования. 2. СНБ 4.02.01. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. 3. НПБ 23-2010. Противодымная защита зданий и сооружений. Методы приемо-сдаточных и периодических испытаний.

УДК 621.891 УСТАНОВКА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ И ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИНАХ ДИАМЕТРОМ ДО 200 ММ Свистун А.И.1, Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1, Жарин А.Л.1, Пантелеев К.В.1, Петлицкий А.Н.2, Пилипенко В.А.2, Тявловский А.К.1, Тявловский К.Л.1 1 Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь 2 ОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ» Минск, Республика Беларусь Разработанная в НИЛ полупроводниковой техники Белорусского национального технического университета установка бесконтактной фотостимулированной сканирующей электрометрии обеспечивает контроль однородности распределения параметров ионно-легированных и диффузионных слоев на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм на основе бесконтакных измерений распределения контактной разности потенциалов (КРП) и модулированной поверхностной фотоЭДС на разных длинах волн. Внешний вид рабочей зоны опытного экземпляра измерительной установки (с откинутой крышкой) показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Опытный экземпляр измерительной установки для бесконтактного контроля однородности распределения параметров ионно-легированных и диффузионных слоев на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм

98

Программное обеспечения управления измерительной установки бесконтактной фотостимулированной сканирующей электрометрии обеспечивает управление измерительной установкой с использованием исключительно виртуальной системы управления, в рамках которой все управляющие элементы представлены на экранном интерфейсе персонального компьютера (ПК). Процесс измерений начинается с установки блока измерительных преобразователей в точку с выбранными координатами и задания границ зоны сканирования. Желаемая точка позиционирования может быть указана как числовыми координатами в соответствующем поле ввода, так и щелчком левой кнопки мыши на схематичном изображении держателя. Погрешность задания положения сканирующей системы составляет ± 0,1 мм при погрешности определения (измерения) текущего положения сканирующей системы до ± 0,01 мм. В процессе измерений текущие результаты сканирования выводятся на вкладке «Working Graph» в соответствии с выбранной цветовой схемой. Поскольку диапазон значений регистрируемого параметра до окончания процедуры сканирования не может быть достоверно известен, схема (диапазон индексированных цветов) динамически корректируется в процессе построения визуализированного изображения. По завершении сканирования выполняется завершающая обработка визуалазированного изображения распределения параметров ионно-легированных и диффузионных слоев в соответствии с выбранной методикой. В частности, такая обработка может

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

включать перезадание или нормализацию диапазона отображаемых значений, обрезку визуализированного изображения, расчет производных физических величин (поверхностной фотоЭДС, концентрации примеси железа в кремнии), интерполяцию изображения и др. (рисунок 2). Количественная характеризация распределения исследуемых параметров ионно-легированных и диффузионных слоев обеспечивается автоматизированной статистической обработкой результатов измерений, включающей построение гистограммы распределения значений интересующего параметра в заданном пользователем диапазоне. Обработанное изображение может быть сохранено в файл в оригинальном формате .dsd и, при необходимости, вновь прочитано из dsd-файла.

Вкладка «3D Graph» (рисунок 3) обеспечивает построение трехмерного графика распределения выбранного параметра на основе результатов сканирования. Выбор проекции и угла наблюдения графика является динамическим и может изменяться пользователем в реальном времени путем «вращения» графика вокруг трех координатных осей с помощью «мыши». С помощью отдельной вкладки «System» обеспечивается изменение системных параметров измерительной установки и ее виртуальной системы управления, включая задание амплитуды и частоты вибрации чувствительного элемента электрометрического зонда, амплитуды и частоты воздействующего модулированного оптического излучения и других вспомогательных параметров, в том числе раздельно для разных режимов измерения.

Рисунок 2 – Обработанные результаты сканирования полупроводниковой пластины

Рисунок 3 – Представление результатов контроля в виде трехмерного графика распределения параметра

99

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Изготовленный экземпляр установки для бесконтактного контроля однородности распределения параметров ионно-легированных и диффузионных слоев на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм внедрен в производственный процесс на ОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ». При испытаниях установки в качестве тестовых образцов использовались реальные полупроводниковые пластины диаметром 200 мм, содержащие различные дефекты поверхности. Типичные результаты применения метода бесконтактного контроля однородности распределения параметров ионно-легированных и диффузионных слоев на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм к полупроводниковой пластине, взятой из производственного метода, показаны на рисунках 2 и 3 в различных доступных формах их представления. Пространственное разрешение приведенных

изображений составляет 1 мм, выбранного с учетом приемлемого времени сканирования всей поверхности пластины (порядка 0,5 часа). Полученные результаты показали высокую эффективность разработанного метода в части выявления скрытых дефектов ионно-легированных и диффузионных слоев. В частности, на рисунках 2-3 четко наблюдаются кольцевые структуры вблизи края пластины, повторяющие характерное распределение дислокаций полупроводниковых пластин большого диаметра, полученных из монокристаллов кремния, выращенных по методу Чохральского [1]. Литература 1. Honma, N. Simplified AC photovoltaic measurement carrier lifetime in Czochralski-grown silicon wafers having ring-distributed stacking faults / N. Honma, H. Shimizu, C. Munakata // Jpn. J. Appl. Phys. – 1993, V. 32. – P. 3639-3642.

УДК 620.179.1+534.1 ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ КОМБИНИРОВАННЫМ ОПТОАКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Баев А.Р.1, МитьковецА.И.2, Деленковский Н.В.1, Размыслович Г.И.1 Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь 2 Государственное научное учреждение «Институт физики НАН Беларуси имени Б. И. Степанова» Минск, Республика Беларусь 1

Развитие комбинированных методов оптоакустического (ОА) контроля позволяет расширить возможности традиционных методов структуроскопии и дефектоскопии твердых и жидких сред. При реализации этих методов возбуждение УЗК в исследуемых объектах производится путем импульсно-лазерного воздействия на их поверхность, а информационный акустический сигнал принимается, как правило, контактными пьезопреобразователями и, значительно реже, бесконтактными ЭМА преобразователями. Цель настоящей работы состоит в изучении новых возможностей указанного метода и его применения. При проведении исследований обращено внимание на изучение ряда особенностей возбуждения поверхностных и пластинчатых волн при перемещении круглого пятна лазерного луча (ЛЛ) через зону с моделируемым дефектом типа трещины и поры. Ранее в работах [1, 2] изучались подобные зависимости для возбуждаемых импульсно-лазерным излучением волн Рэлея. При этом пятно ЛЛ имело форму, подобную длинной полосе. С точки зрения практики ОА-контроля удаленных движущихся объектов на наличие дефектов представляет интерес использовать для импульсного возбуждения УЗК лазерный луч с

100

круглым поперечным сечением, а принимать УЗК ненаправленными преобразователем (ПЭП). Стандартная электронная схема исследований приведена на рис.1, где объектом изучения служил образец с моделируемой бесконечной трещиной толщиной h  20 мкм (d , где  – длина волны упругой моды. При H   и менее могут генерироваться пластинчатые моды, что иллюстрирует рис. 5.

Рисунок 4 – Влияние положения пятна (ЛЛ) диаметром D относительно моделируемой поры на амплитуду акустического сигнала: D, мм=5 (1-○); 2 (2-∆); 3,5 (3-□).

Рисунок 5 – Амплитуда s0 моды волны Лэмба (1) и возбуждаемой дополнительной моды (2) в пластине с искусственной трещиной в зависимости от расстояния между пятном лазерного луча на объекте и передней гранью призмы приемного ПЭП

Как показывает выполненный в работе качественный анализ, причина возникновения «резонансной картины» при скольжении пятна ЛЛ непосредственно через несплошность (рис. 2, 4) кроется в изменении граничных (импедансных) условий. При этом в области локализации термоупругой энергии (пятна ЛЛ) на границе с дефектом создается свободная граница, отражающая превалирующую часть упругой энергии и служащая дополнительным источником УЗК, а также существенно влияющая на направленность результирующего поля рассеяния. В процессе перемещения пятна ЛЛ изменяются также и геометрические параметры источника колебаний, при характерных размерах которого l*=l/, согласующихся с рабочей частотой приемного ПЭП fр, передаточная функция ОА-тракта может быть максимальной.

101

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Неожиданными оказались результаты исследования импульсно-лазерного возбуждения волн Лэмба как в стальной, так и дюралевой пластине толщиной 0,75 мм при длительности импульса, имеющего колокообразную форму, 14 нс. При этом прием волн Лэмба производился с помощью призматических наклонных преобразователей. В качестве базового использован ПЭП с рабочей частотой 1 МГц. Как впервые установлено (рис. 4), наряду с основной пластинчатой модой одновременно генерируется дополнительная мода, имеющая в 3 раза большую частоту. Как видно из рисунка.3, при теневом прозвучивании основная s0 мода достаточно плавно изменяется при смещении пятна ЛЛ в окрестности искусственной тре-

щины глубиной h0,3 мм. Амплитуда же дополнительной моды претерпевает существенные изменения. Причем отношение фиксируемых амплитуд экстремумов достигает 6-7 раз придвижении пятна ЛЛ в окрестности дефекта. Литература 1. А.Р. Баев, В.Г. Гуделев, Г.В. Кулак, А.И. Митьковец Оптико-акустическая диагностика дефектов на поверхности твердых тел. - Проблемы физики, математики и техники, № 1 (18), 2014. - С.72-81. 2. П-т на изобретение N42013, Баев А.Р., Гуделев В.Г., Митьковец А.И. Способ оптоакустического контроля границы соединения материалов публ.30.08.13 Полож.реш.по заявке на ПМ №20130345 от 18.04.13, реш. от 18.04.13.Баев А.Р., Гуделев В.Г., Митьковец А.И.

УДК 621 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГАЗОВОЙ СМЕСИ Исаев А.В., Кривицкий П.Г., Черняк А.С., Акиншева А.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Анализ состава газовой смеси – это качественное и количественное определение ее компонентов. Анализ может проводиться как в лаборатории, так и с помощью специальных газоанализаторов. Как правило, методы газового анализа основаны на измерении физических параметров и свойств среды, значения которых зависят от концентраций определяемых компонентов. По характеру измеряемого физического параметра газового анализа различают: 1) Механические методы: а) Волюмометрический: Измерение сокращения объема анализируемого газового компонента, происходящего в результате реакций абсорбции, сожжения и каталитического окисления б) Манометрический. Измерение разрежения, получающегося в результате реакции анализируемого газообразного вещества с соответствующим поглотителем в) Диффузионный. Измерение диффузионного эффекта. 2) Пневматические методы. Применяют для анализа бинарных и псевдобинарных смесей, напр., для определения Н2 в воздухе, Н2 в этилене, СО2 в инертных газах, Сl2 в Н2 и т.д. а) Аэростатический. Основан на измерении плотности газовой смеси. б) Аэродинамический. Основан на измерении зависящих от плотности и вязкости параметров таких процессов, как дросселирование газовых потоков, взаимодействие струй, вихреобразование и т. д.). 3) Акустические методы. Основаны на измерении поглощения или скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн в газовой смеси. Методы не избирательны и применяются,

102

в частности, для определения СН4, О2, Н2 в бинарных и псевдобинарных смесях. 4) Адсорбционный метод. Сравнительно простая методика разделения компонентов смеси. Между величинами адсорбции газов и их физическими константами (критической температурой, температурой кипения, константой Ван-дер-Ваальса и др.) существует качественная закономерная зависимость. Сущность метода: если мы имеем постоянные количества адсорбента и адсорбата, то при постоянной температуре состав и объем неадсорбированной фазы будут однозначно определяться составом исходной анализируемой газовой смеси. 5) Тепловые методы: Термокондуктометрический. Основан на измерении теплопроводности газовой смеси. Находят содержание Не, СО2, Н2, СН4 в бинарных и псевдобинарных смесях. Термохимический. Основан на измерении теплового эффекта химических реакций с участием определяемого компонента. Избирательное определение СО, СН4, О2, Н2, контроль в воздухе взрывоопасных и пожароопасных примесей (смесей газообразных углеводородов, паров бензина и т.д.). 6) Магнитные методы. Основаны на измерении магнитной восприимчивости и явлении термомагнитной конвекции. Определение кислорода. 7) Оптические методы: а) Абсорбционная спектроскопия. Основана на измерении оптической плотности. Применяют для избирательного определения NO 2, О3, H2S, SO2, CS2, формальдегида, фосгена, Сl2, паров Hg, Na, Pb и других. Источники излучения в абсорбционных методах – лампы накаливания,

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

ртутные, водородные, ртутно-кадмиевые, кадмиевые, нихромовые спирали. б) Эмиссионная спектроскопия: измеряют интенсивность излучения определяемых компонентов. Излучение можно возбудить электрическим разрядом, пламенем, светом, лазером и другими источниками. Эти методы применяют для количественного определения множества элементов и соединений. в) Рефрактометрический: измеряют коэффициент преломления. Используется для определения СО2, СН4, ацетилена, SO2 и др. в бинарных и псевдобинарных смесях. г) Оптикоакустический метод. Основан на пульсации давления газа в приемнике излучения при поглощении прерывистого потока излучения, прошедшего через анализируемый газ. Метод позволяет определять СО, СО2, СН4, NH3, SO2, ряд органических соединений. Фотоколориметрический: предварительно проводят цветную реакцию контролируемого компонента с подходящим реагентом в газовой фазе, в индикаторном реакторе или на поверхности твердого носителя (в виде ленты, таблетки, порошка) и измеряют интенсивность окраски продуктов реакции. Метод применяют для избирательного определения оксидов азота, СО, CS2, NH3, ацетилена, фосгена, формальдегида и др. д) Хемилюминесцентный: измеряют интенсивность люминесценции, сопровождающей некоторые хим. реакции в газах. Метод применяют, в частности, для определения О3 и оксидов азота. Например, определение NO основано на его окислении озоном. е) Интерферометрический: основан на измерении смещения интерференционных полос в результате изменения оптической плотности газовой смеси при изменении концентрации определяемого компонента. Применяется, напр., для определения СО2 и СН4 в воздухе. 8) Ионизационные: измерение электрической проводимости ионизованных газовых смесей. Ионизацию осуществляют радиоактивным излучением, электрическим разрядом, пламенем, УФ-излучением, на нагретой каталитически активной поверхности. Например, метод, основанный на измерении разницы сечений ионизации газов радиоактивным излучением, используют для анализа таких бинарных смесей, как Н2–N2, N2– CO2, а также некоторых углеводородов. Метод, основанный на ионизации органических соединений в водородном пламени, применяют для определения органических примесей в бинарных газовых смесях и воздухе. 9) Масс-спектрометрический метод: измерение масс ионизованных компонентов анализируемого газа; применяют для определения инертных газов, О2, Н2, оксидов углерода, азота и серы,

а также неорганических, органических и металлоорганических летучих соединений. Часто сочетается с хроматографией. 10) Электрохимические методы: измеряют параметры системы, состоящей из жидкого или твердого электролита, электродов и определяемого компонента газовой смеси или продуктов его реакции с электролитом. Измеряют содержание примесей O2, CO, NO, NO2, SO2, H2S, H2, C12, NH3, O3 и др а) Потенциометрический метод: основан на зависимости потенциала индикаторного электрода от концентрации иона, полученного при растворении определяемого компонента в растворе. б) Амперометрический метод: основан на зависимости между током и количеством определяемого компонента, прореагировавшего на индикаторном электроде. в) Кондуктометрический метод: основан на измерении электропроводности растворов при поглощении ими определяемого компонента газовой смеси. 11) Полупроводниковые методы: измеряют сопротивление полупроводника (пленки или монокристалла), взаимодействующего с определяемым компонентом газовой смеси. Методы применяют для измерения содержания Н2, метана, пропана, О2, оксидов углерода и азота, галогенсодержащих соединений и др 12) Хроматография: один из наиболее популярных и универсальных методов. Позволяет разделить даже очень сложные по составу смеси веществ. Является очень точным методом. Различают колоночную и плоскостную хроматографию. В колоночной сорбентом заполняют специальные трубки – колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. Плоскостная хроматография подразделяется на тонкослойную и бумажную. а) Газовая хроматография. Наиболее точный хроматографический метод. Является универсальным: можно обнаружить неорганические газы, металлы, множество органических соединений в большом интервале концентраций. Преимущества метода: использование стандартного оборудования, быстрота анализа, высокая чувствительность. б) Ионная хроматография. Основана на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси. Преимущества метода: простота подготовки пробы, малый объем пробы. в) Жидкостная хроматография. Основана на взаимодействии, возникающем при движении жидкой фазы сквозь неподвижный слой сорбента, обладающего большой суммарной поверхностью.

103

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Позволяет исследовать высокомолекулярные загрязнения воздуха. г) Тонкослойная хроматография. Используются мелкодисперсные частицы адсорбента (размером 1 – 40 мкм). Толщина слоя адсорбента составляет 100 – 300 мкм. Исследуемая проба в растворителе помещается на пластинку с адсорбентом. Под действием капиллярных сил вещества продвигаются через слой адсорбента с разными скоростями, зависящими от адсорбционных коэффициентов компонентов смеси. д) Хроматография на бумаге. Метод близок к методу тонкослойной хроматографии, но ему присущи два недостатка: низкая скорость разделения и малая адсорбционная емкость. 13) Метод изотопного разбавления: в анализируемую пробу вводят радиоактивные или стабильные изотопы определяемого компонента и затем выделяют его из пробы вместе с добавкой. Измеряют содержание примесей О2, N2, H2, оксидов углерода и азота, СН4, С12 и др.

14) Многопараметрический вычислительный метод: основан на совместном измерении ряда физических параметров смеси известного качестве состава и на решении с помощью ЭВМ системы уравнений, описывающих взаимосвязь измеряемых параметров с концентрациями определяемых компонентов. Одновременно можно измерять, например, оптическую плотность среды при различных длинах волн, эффективность ионизации газов и паров на каталитически активных поверхностях с разными температурами нагрева и т. д. Литература 1. Методы анализа загрязнений воздуха / Ю.С. Другов [и др.] – М.: Химия, 1984. – 384с. 2. Еремина Б.Г. Газовый анализ / Б.Г. Еремина – Л.: Гос. научн.-техн. изд.-во хим. лит.-ры, 1955. – 382 с. 3. Газовый анализ, принципы и методы измерений // Научно-производственный центр "АНАЛИТЕХ".

УДК 621 ОРГАНИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Исаев А.В., Кривицкий П.Г., Сизиков С.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь

1

Основной задачей диагностика работоспособности электрической машины сводится к определению состояний токопроводящих элементов обмоток и состояние их изоляции. Чаще всего это сводится к испытанию изоляции высоким постоянным или специальным импульсным напряжением. Для этих целей, чаще всего с помощью колебательных контуров, формируют специальное импульсное напряжение в виде затухающих импульсов. При этом особую роль, имеет не только амплитуда испытательных импульсов, но и длительность их переднего и заднего фронтов. Это связано с тем, что малая длительность фронтов импульсов, даже при невысокой амплитуде сигнала, за счёт переходных процессов в обмотках, часто приводит к перенапряжению между витками обмоток, а следовательно приводит к пробою изоляции и выводу из строя изначарьно рабочей электрической машины. По этому, при импульсном испытании изоляции, необходимо иметь возможность задавать не только амплитуду, но и форму испытательных импульсов, в том числе их временные параметры: длительность импульсов, длительность передних и задних фронтов, период следования. Использование однократных импульсов нецелесообразно в связи с трудностью определения пробоя дефектной межвитковой изоляции. В качестве испытательных импульсов с устанавливаемыми временными параметрами и амплитудой была выбрана

104

периодическая последовательность трапецеидальных разнополярных импульсов, вид которых представлен на рис. 1. Алгоритм получения импульсов можно представить временной диаграммой (рис. 2). UU

Длительность переднего фронта

Длительность импульса

Длительность заднего фронта

Длительность холостого хода

Длительность переднего фронта

Длительность импульса

Длительность заднего фронта

t

Рисунок 1 – Общий вид испытательных трапецеидальных разнополярных импульсов

Где диаграмма 1 и 2 характеризуют работу триггера выбора текущей полярности выходного импульса. На диаграмме 3 продемонстрирована работа встроенного ШИМ-генератора для формирования переднего и заднего фронтов выходного измерительного импульса. Временная диаграмма 4 задает времена, определяющие длительность выходных импульсов. На диаграмме 5 продемонстрирован результирующий выходной сигнал генератора испытательных трапецеидальных импульсов, а на 6 – тот же сигнал с учетом индуктивных и емкостных сопротивлений выходных каскадов измерительного прибора. Получить сигналы необходимой конфигурации возможно несколькими способами, но с

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

U

Длительность переднего фронта

Длительность импульса

Длительность заднего фронта

Длительность холостого хода

Длительность переднего фронта

Длительность импульса

бытию (рис. 4а). Загружаемое значение определяет длительность импульсов прямой и обратной полярности. При этом структура организована так, что у таймера не реализован физический выход. Интерфейс оператора

Таймер-задатчик длительности

Полярность сигнала

Длительность Длительность холостого импульса хода

Схема суммирования

Длительность заднего фронта

Таймер-задатчик длительности

Длительность переднего фронта

Таймерформирователь ШИМ

учетом получения конечного изделия для диагностики электрических машин, был выбран способ, построенный на особенностях и возможностях современных микроконтроллеров. Общую структурную схему измерительного генератора, построенного на основе программируемого цифрового устройства, Основой для реализации представленной системы был выбран 32-х разрядный микроконтроллер семейства STM32F407, который с одной стороны обладает доступностью и низкой ценой, а с другой - имеет высокие технологические характеристики, а именно – высокую системную частоту (до 168 МГц) и возможность работы на ней основных периферийных модулей, наличие большого количества встроенных таймеров, работающих в различных режимах, в том числе в качестве гибко управляемого ШИМгенератора, наличие встроенных и генерируемых контроллеров для индикаторов различного типа. В качестве основы формирования программного обеспечения для микроконтроллера были выбраны пакеты прикладных программ STM32 CubeMX5.0.1 (библиотека HAL) и Keil uVision5 (библиотека MDK526).представлен на рис. 3.

Выходной сигнал

Рисунок 3 – Структурная схема измерительного генератора

Длительность заднего фронта

t U

t

U

U

t

ШИМ-сигнал

Рисунок 4. Общие настройки микроконтроллера STM32F407

t

U

t U

а t

Рисунок 2 – Общий вид формирования трапецеидального измерительного импульса

Задание основных параметров встроенных систем микроконтроллера для формирования измерительного генератора представлены на рисунках 4, 5 и 6. Таймер TIM1 организован на режим работы счетного таймера с перезагрузкой по переполнению и формированием прерывания по этому со-

б Рисунок 4 – Настройка исходных параметров встроенных таймеров для организации измерительного генератора

105

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Работа таймера TIM8 организована в виде ШИМ-генератора (рис. 4б). При этом он имеет следующие характеристики: 1. реализован физический выход; 2. задан режим перезагрузки; 3. формирование прерывание по прерыванию; 5. возможность независимой загрузки параметров периода и длительности выходных импульсов. Литература 1. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. Учеб для вузов по спец. «Электромеханика». _ М.:Высш. шк., 1990. – 255 с.:ил. 2. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин/ Под ред. Р.Б. Уманцева. – 9-е изд., перераб. и доп. –

Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 336 с.:ил. 3. Патент на изобретение №16628. Способ контроля витковой изоляции обмотки якоря электрической машины. Выданный национальным центром интеллектуальной собственности в соответствии с Законом Республики Беларусь. Заявка №20101783 от 2010.12.10. 4. Патент на изобретение №20042 Способ контроля фазных обмоток трехфазной электрической машины. Выданный национальным центром интеллектуальной собственности в соответствии с Законом Республики Беларусь. Заявка №20130998 от 19.08.2013. 5. Электронный источник // Reference manual. STM32F405xx/07xx advanced ARM-based 32-bit MCUs. Doc ID 018909 Rev 6. February 2014. – 1710 с.

УДК 620.179.16-534.1 О РАССЕЯНИИ УПРУГИХ ВОЛН НЕОДНОРОДНОЙ ГРАНИЦЕЙ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Баев А.Р.1, Левкович Н.В.2, Майоров А.Л.1, Асадчая М.В.1, Коновалов Г.Е.1 1

Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь 2 Белорусский государственный университет Минск, Республика Беларусь

Повышение надежности выявления потенциально опасных дефектов сцепления материалов, обладающих малой отражающей звук способностью и слабо выявляемых традиционными способами дефектов является актуальной технологической задачей аэрокосмической, машиностроительной и других отраслей народного хозяйства. Цель работы заключалась в дальнейшем развитии предложенного ранее метода высокоэффективного ультразвукового контроля [1] неразъемных соединений, заключающегося в оптимизации фаз и апертур мнимых источников УЗК, рассеянных неоднородной границей. Отличие настоящей работы от приведенной ранее [2] состоит в установлении конкретных условий, обеспечивающих максимальную выявляемость слабоотражающих УЗК дефектов на основе анализа полей рассеяния в трехмерном пространстве и фазововом сдвиге    между рассеянными волнами от дефектной поверхности площадью SD и бездефектной поверхности SN= S0-SD, где S0 площадь поперечного сечения падающего акустического пучка АП (или пятна). Как показывает анализ механизма взаимодействия полей ультразвуковых колебаний (УЗК), отраженных от границы контактирующих материалов, наиболее чувствительным к изменению качества сцепления материалов является именно указанный выше параметр - фазовый сдвиг , оказывающий существенное влияние на поле рассеяния УЗК или диаграмму направленности (ДН) мнимых источников A(,), где  – азимутальный, а  – экваториальный углы приема УЗК.

106

Рисунок 1 – К расчету поля рассеяния УЗК от граничной поверхности сцепления материалов с дефектом в виде круглого пятна и бесконечной полуплоскости

Рисунок 2 – Поле рассеяния УЗК в плоскости сечения ДН y = 0 (а) и x = 0 (б) при смещении границы полубесконечного дефекта d: xd = x / d = 1 (1); 0,4 (2); 0 (3)

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Согласно данной постановке задачи, результирующее поле рассеяния УЗК может быть представлено в виде суперпозиции полей трех мнимых источников: A = A0+AD1+AD2 = A00 [S0 KR0F0(,, …)+ + A0SD KDFD(,, … )- A0SD KR F01 (,, … )] (1) где A00 - амплитуда падающего на границу сред акустического пучка (АП), A0 – поле рассеяния в дальней зоне при падении луча УЗК на поверхность SS0 , а AD1 и AD2 – поля рассеяния УЗК от дефектной поверхности SD (AD1 ) и поверхности без дефекта SН (AD2); F0 ,F01, FD –соответствующие нормализованные интегральные функции, причем F01F0 для области интегрирования S SD. На рис. 1 представлены пояснения к расчету поля рассеяния УЗК от контролируемой поверхности. В первом случае граница полубесконечного дефекта перемещается вдоль оси x, а во втором круглый дефект находится в области пятна АП. На рис. 2 приведены характерные поля рассеяния при перемещении полубесконечного дефекта относительно центра пятна АП. Как показывают результаты расчетных и опытных данных, независимо от величины фазового сдвига  и отражательной способности УЗК от дефектной и бездефектной поверхности (SN=S0-SD), характеризуемой коэффициентами отражения KD и KН соответственно, поле рассеяния A() (или ДН) в разных плоскостях ее сечения имеет, как правило, разную структуру - за исключением случая расположения центра дефекта с радиальной симметрией в окрестности x=y=z=0. При движении дефектов к центру пятна акустического пучка вдоль  направления s , поле A() неизменно лишь в  плоскости сечения, которая перпендикулярна s   (или s z =0). При Abs  или = ПРЕДЫДУЩЕГО

НЕТ

ФИКСАЦИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГАБАРИТОВ ОБРАЗЦА (? l)

ФИКСАЦИЯ ПРЕДЫДУЩЕГО ДАВЛЕНИЯ

РАЗРУШЕНИЕ ОБРАЗЦА

ПУСК РАБОТЫ ГИДРОЦИЛИНДРА\ НА УМЕНЬШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ЗАДАННОЙ СКОРОСТИ ДО l=0 НЕТ

ДАВЛЕНИЕ ДОСТИГЛО УСТАНОВЛЕННОГО ЗНАЕЧНИЯ

ДА

НЕТ

ОСТАНОВКА РАБОТЫ ГИДРОЦИЛИНДРА

ИСХОДНОЕ СОСТОЯНИЕ

ДА ВЫДЕРЖКА УСТАНОВЛЕННОГО ВРЕМЕНИ

t

ПУСК РАБОТЫ ГИДРОЦИЛИНДРА\ НА УМЕНЬШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ЗАДАННОЙ СКОРОСТИ ДО l=0

НЕТ

ВЫВОД ПОЛУЧЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ НА ЭКРАН И ЗАПИСЬ

КОНЕЦ

ВСЕ ЦИКЛЫ ПРОЙДЕНЫ

ДА

2

Рисунок 3 – Структурная схема информационноизмерительной системы испытательного пресса

В схеме можно выделить следующие основные блоки разрабатыаемой измерительной системы: Блок управления – организует работу испытательного оборудования в общем и информационно-измерительной системы в частности в соответствии с заданным алгоритмом работы; Блок измерения давления – позволяет в режиме реального времени косвенным образом измерять пригагаемую нагрузку на испытываемый образец; Блок измерения линейных перемещений - по специальным алгоритмам организует измерение изменений габаритов исследуемого образца; Модуль шагового двигателя – совместно со штатным блоком гидравлической системы организует скорость изменения прилагаемой нагрузки; Электромагнитный клапан – задает режим работы гидросистемы – нагрузка или сброс; Блок индикации и блок клавиатуры – обеспечивает интерфейс пользователя для задания и отслеживания основных параметров работы системы.

Рисунок 4 – Алторитм работы испытательной системы при комплексном испытании образцов

Работу измерительного пресса можно представить в виде алгоритма (рис. 4). Работа разработанной испытательной сис темы разделена на два этапа – настройка и испытание. На этапе настойки (не показан на алгоритме) выполняется загрузка основных параметров испытаний при работе системы в автоматическом режиме – максимальная прикладываемая нагрузка, время (или скорость) нарастания и снижение нагрузки, время удержание образца под нагрузкой, количество циклов исследования образца, точность измерения и др. В этапе испытания в свою очередь выделяют 3 режима – ручной, комплексный и разделенный. В ручном режиме оператор с помощью клавиатуры управления организует весь процесс испытаний образцов. В этом режиме моделируется исходный процесс работы оборудования. Также этот режим может использоваться для организации поверки оборудования. Комплексное испытание образцов задает режим работы измерительного пресса в полностью автоматическом режиме. Здесь будут проведено

115

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

полное исследование образцов в соответствии с ГОСТ10180-90 с выдачей результатов на дисплей системы. Алгоритм процесса испытаний представлен на рис. 4. Разделенный режим позволяет выполнять испытание по частям – исследование на линейную деформации образцов и исследование на разрушение.

Литература 5. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам 6. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе ИП-1А-500 - Машина для испытания на сжатие// Электронный ресурс https://toolb.ru/goods/IP-1A-500AB-PK-Mashina-dlya-ispytaniya-na-szhatie.

УДК 621 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ С ДИНАМИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЕМОЙ ФОРМОЙ ИМПУЛЬСА ТОКА Саранцев В.В., Новиков А.А. Филиал БНТУ «Институт повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики» Минск, Республика Беларусь Введение. Сущность процесса электроискрового легирования (ЭИЛ) заключается в переносе материала электрода на поверхность обрабатываемой детали в процессе электрической эрозии и полярного переноса материала анода (инструмента) на катод (деталь) при протекании импульсных разрядов в газовой среде [1]. При формировании защитно-упрочняющих покрытий на поверхности лопаток обрабатываемые лопатки являются катодом, а анодом – расходуемый электрод-инструмент. При работе электрод совершает возвратно-поступательные движения с частотой от 50 до 150 Гц и амплитудой от 0,25 до 2,00 мм [2]. Первые установки для ЭИЛ имели схему приведенную на рисунке 1. От выпрямителя через балластное сопротивление или реостат К ток шел на зарядку конденсаторной батареи С. При работе вибратора, когда электрод приближался к поверхности обрабатываемой детали в межэлектродном промежутке происходило образование разряда накопленной емкости. Разряд батареи продолжался и при возникновении короткого замыкания электрода на деталь. Мощность разряда зависит от емкости конденсаторной батареи C и напряжения во вторичном контуре U.

Рисунок 1 – Схема осуществления ЭИЛ: R – балластное или ограничивающее величину зарядного тока сопротивление, С – накопительная батарея конденсаторов, Э-И – электрод – инструмент (анод), Д – обрабатываемая деталь (катод), цепь А-(Э-И)-Д-В – цепь внешнего разрядного контура

116

𝑊𝑝 =

𝐶𝑈 2 2

где С – емкость конденсатора в фарадах; U – напряжение на обкладках конденсатора в момент разряда в вольтах; Wp – энергия разряда в джоулях. Данная схема установки может применяться при обработке поверхностей с использованием тугоплавких электродов. Так как время нахождения в жидкой фазе электродного материала мало по сравнению с металлическими электродами. Во время протекания единичного разряда (10-3–10-5 с) количество тугоплавкого материала, переносимого с анода на катод, меньше количества металлических материалов. Постановка задачи. В процессе ЭИЛ наиболее часто используемыми материалами были тугоплавкие материалы марки ВК8 и сплав Стеллит-6. Основой сплава ВК8 является карбид вольфрама, что определяет его высокую температуру (около 2800оС) плавления по сравнению с температурой плавления стеллитов, у которых основой сплава является кобальт и хром (температура плавления кобальтохромовых сплавов около 1500оС). Время кристаллизации жидкой фазы сплава ВК8 много меньше времени кристаллизации жидкой фазы стеллита (кобальтохромового сплава). Также карбид вольфрама хрупкий сплав, а стеллит вязкий материал. При вибрации электрода установки с частотой 100 Гц в случае нанесения сплава ВК8 ударное воздействие электрода и быстрая скорость кристаллизации не приводит к микросвариванию электрода и подложки («эффект залипания электрода»). В случае нанесения стеллитов ударное воздействие электрода осуществляется по слою, находящемуся в полужидком состоянии с большим количеством жидкой фазы. В результате этого происходит процесс микросваривания электрода с поверхностью детали.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

Поэтому, для исключения «эффекта залипания электрода» требуется доработка установки для ЭИЛ, для чего необходимо во вторичном контуре предусмотреть подачу тока не в постоянном, а пульсирующем режиме. Принципиальная схема модернизированного источника. Пульсирующий подвод энергии в межэлектродный промежуток будет способствовать разрушению сварочных перемычек и снизит тепловложения в деталь. Для данных целей необходимо во вторичном контуре предусмотреть установку мощных транзисторов. Во вторичную цепь необходимо перенести сопротивление для защиты транзисторов от режима работы в коротком замыкании. Таким образом, мощность разрядов регулируется количеством энергии проходящей через транзисторы, а не уровнем зарядки конденсаторной батареи (рисунок 2).

Рисунок 2 – Доработанная схема осуществления ЭИЛ: Т – трансформатор; VD – диодный блок; C – блок конденсаторов; VT – транзисторный блок; R – сопротивление; ЗБ – задающий блок

Область применения. Основными факторами, определяющими ресурс и надежность элементов оборудования тепловых электростанций (ТЭС), являются эрозия, абразивный износ, коррозия материалов элементов проточной части паровых турбин. Это в равной степени относится как паровым турбинам старых конструкций, так и паровым турбинам нового поколения, в том числе и к турбинам парогазовых установок, как уже использующихся для выработки электроэнергии, так и перспективных проектируемых. При эксплуатации паровых турбин электростанций существует проблема с износом лопаток паровых турбин последних ступеней. Износу подвергаются кромки лопаток. Для их защиты на заводах изготовителях применяют стеллиты. В процессе работы стеллитная защита изнашивается и отрывается. Анализируя достоинства и недостатки метода ЭИЛ по нанесению защитных покрытий на лопатки в условиях станционных ремонтов (например, текущего, среднего или капитального), следует отметить, что рассматриваемый метод является одним из наиболее перспективных для ремонта и упрочнения входных и выходных кромок лопаток последних ступеней паровых турбин. При этом необходимо отметить следующее: – метод ЭИЛ в настоящее время успешно используется в теплоэнергетике в качестве способа защиты от ударно-капельной эрозии на входных кромках лопаток турбин, изготавливаемых на ХТГЗ (применяют твердый сплав Т15К6);

– локальность нанесения слоя покрытия позволяет наносить его в местах наиболее подверженных воздействию ударно-капельной эрозии, т.е. на входной и выходной кромках лопатки; –в процессе нанесения электроискровых покрытий материал лопатки не подвергается воздействию высоких температур, несмотря на то, что локальная температура в зоне анодно-катодного переноса составляет от 4000 до 10000°С (при этом интегральная температура лопатки составляет значении, как правило, не превышающих 60 °С). –простота, компактность оборудования для осуществления метода ЭИЛ дают возможность формировать защитно-упрочняющие покрытия на входной и выходной кромках лопаток без их разлопачивания в составе ротора турбины; при этом нанесение защитно-упрочняющих покрытий может быть осуществлено в тот период, когда в процессе ремонта турбины ротор находится на стапеле (на козлах) или при вскрытом цилиндре на подшипниковых опорах; – дальнейшее совершенствование оборудования для нанесения защитно-упрочняющих покрытий методом ЭИЛ и технологического процесса позволит осуществлять процесс формирования покрытий на входной и выходной кромках без вскрытия цилиндров среднего и низкого давления через конденсатор турбины, что, в свою очередь, позволит осуществлять защиту лопаток по входной и выходной кромкам при незначительных износах, как основного материала лопатки, так и изнашивающегося электроискрового покрытия; – метод ЭИЛ позволяет осуществлять нанесение защитно-упрочняющих покрытий на все лопаточные материалы без исключения (Стали 13Х13Ш, 20X13-Ш, 15Х11МФ-Ш, 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ961-Ш) и др.; титановые сплавы ТС-5, ВТ5 и др.); – при незначительных износах (при глубине промывов на лопатке менее 0,15 мм) нанесение покрытий может осуществляться без предварительной механической обработке поверхности. Совместно с ОАО «Белэнергоремналадка» были проведены предварительные работы по использованию технологии ЭИЛ для ремонта лопаток паровых турбин. Для проведения ЭИЛ была собрана установка в соответствии со схемой на рисунке 2. В качестве силового трансформатора выбран ОСМ-1,0 и конденсаторная батарея на 20 000 мкФ.

Рисунок 3 – Макет экспериментальной установки

117

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Нанесение покрытий осуществляется на каждой лопатке в обозначенных зонах по входной и выходной кромкам, а также при необходимости в прикорневой зоне лопатки. Общее время обработки определяется толщиной и площадью нанесения покрытия.

Нанесение ЭИЛ покрытий осуществляли на лопатки с худшим состоянием кромок.

а Рисунок 4 – Внешний вид лопатки паровой турбины с ЭИЛ покрытием на рабочей кромке

Материалы, из которых изготавливаются лопатки паровых турбин имеют в составе хром. Такие материалы могут в процессе термического воздействия образовывать трещины. В Испытательном Центре ГНУ ИПМ было проведено исследование микроструктуры материала основы до и после нанесения износостойкого покрытия, полученного методом электроискрового легирования на лопатку паровой турбины. Исследование микроструктуры проводили на световом микроскопе "MeF-3" фирмы "Reichert" (Австрия) при увеличении ×100, ×200, ×500. С рабочей части лопатки для исследования были взяты три образца: один образец исходного материала лопатки (до нанесения покрытия) и два образца после нанесения покрытия. Результаты исследования при увеличении ×500 представлены на рисунке 5. В результате анализа установлено, что микроструктура материала лопатки в процессе электроискрового легирования не меняется. Толщина переходного слоя не превышает 10 мкм. Работы были проведены на Лукомльской ГРЭС под контролем лаборатории металлов и сварки. Нанесение покрытий осуществляли на кромки в неразлопаченом состоянии. Ротор турбины с лопатками находился на стапелях.

б Рисунок 5 – Микроструктура основы в исходном состоянии (а) и образца с покрытием (б)

Выводы. Оборудование и технология ЭИЛ позволяет проводить ремонтные работы лопаток паровых турбин. Оборудование для ЭИЛ на основе источника питания с динамически изменяемой формой импульса тока позволяет сформировать покрытие из стеллитового материала без образования трещин в основном металле. Литература 1. Оборудование и технология электроискрового легирования для продления срока службы энергооборудования / В.В. Саранцев, А.В. Беляков, Ф.И. Пантелеенко, Е.Л. Азаренко // Электронная обработка материалов. – № 50(5) – 2014. – С. 95–99. 2. Технология электроискрового легирования для повышения ресурса рабочих лопаток паровых турбин и оборудование для её реализации / А.В. Беляков, В.В. Саранцев, А.Н. Горбачев, Ф.И. Пантелеенко, Е.Л. Азаренко, Б.Ф. Реутов // Электрические станции. – № 1. – 2016. – С. 30–34.

УДК 681.324 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ Сычик В.А., Уласюк Н.Н., Солонович Е.И. Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь Для бесконтактного контроля высоких постоянных напряжений путем оценки интенсивности излучаемых ими электростатических полей широко используются преобразователи электрических полей статического и динамического типа, которые, однако, обладают невысокой чувствительностью и разрешающей способностью.

118

Нами разработан специальный миниатюрный преобразователь электрических полей (ПЭП) на основе полупроводниковых приборных структур, в котором существенно улучшены указанные параметры. Типовая конструкция синтезированного полупроводникового преобразователя электрических

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

полей (см.рисунок 1) включает усилительный элемент, содержащий n-области входного и выходного электродов (истока и стока) и р-полупроводникового основания, на верхней стороне которого, т. е. на поверхности индуцированного nканала, сформирован слой полярного диэлектрика с размещенным измерительным электродом и омическим выводом из проводящего материала. На измерительный электрод и всю оставшуюся сторону усилительного элемента нанесен слой нейтрального диэлектрика, на котором размещен экранирующий электрод из проводящего материала с внешним выводом. Приборная структура преобразователя помещена в экран, содержащий внутренний диэлектрический и наружный слой. Усилительный элемент имеет омические выводы от истока и стока, основание защищено окисным слоем SiO2. Измерительный и экранирующий электроды коммутируются на корпус контактной группой электронного коммутатора. За основной параметр преобразователя взята удельная крутизна, которую находим из общего уравнения ВАХ   W (1) S  dJ c / dU зи  п ox , 2d L ox где n – подвижность основных носителей в канале; ox, dox – диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрического подзатворного слоя; W, L – толщина и длина индуцированного канала. Приняв отношение W/L = const, на базе (1) выбираем материал диэлектрического подзатворного слоя, который должен обладать высокими диэлектрическими свойства ( tg ,  , TK ). Этим требованиям удовлетворяет титанат бария с tg = 0,03 и   100. Поскольку крутизна ВАХ структуры обратно пропорциональна толщине подзатворного слоя диэлектрика, то последняя определяется полной степенью изоляции измерительного электрода от канала и составляет 1-2 мкм. Изменение заряда на измерительном электрода Q   E S , соответственно заряд э aн x э во входной цепи МДП-триодной структуры и входное напряжение Uвх. = Uэ возрастет на стадии экспонирования (Q  , U  ) и спадает на стадии э  экранирования (Q , U  ) . В общем случае ток в э

цепи измерительного электрода     dQ Q Q Q э э э э i    , dt dt t t 1 2

(2)

где t1 = tes – время экспонирования измерительного электрода; t2 = teк – время экранирования измерительного электрода; Sэ – площадь измерительного электрода; aн – абсолютная диэлектрическая проницаемость нейтрального диэлектрика.

Рисунок 1 – Конструкция преобразователя электрических полей на основе МДП–элемента: 1 – усилительный МДП–элемент; 2, 7 – слои полярного диэлектрика; 4 – слой нейтрального диэлектрика; 6 – электрод; 8 – проводящий слой; 9 – контактные группы коммутатора; 3 – измерительный электрод

Для повышения чувствительности и точности ПЭП необходимо оптимизировать входной ток, поскольку Uвх. = iZвх., где Zвх  R2 определяет постоянную времени входной цепи. С учетом того что Q  Q  Q  Q  Q , э э эт o эт

(3)

причем Q0  0, условие (3) выполняется, если tes = 1, а teк = 2, где 1 – постоянная времени индуцирования на измерительном электроде максимально возможного для данного Ех заряда Q   Q , а 2 – постоянная времени считыэ эт вания сигнала, соответствующая времени полной нейтрализации заряда на измерительном электроде на стадии экранирования (Qэ = Q0  0). Поскольку входная цепь ПЭП имеет емкостной характер, то среднее значение тока t

  t Q  t /  t /  Q 1 1 1) 1 e 2 ]. J  oT i (t ) dt  эт (1  e 1 )  эт e 2  Qэт [ (1  e o T 2    1 1 2

Q Если 1 = 2 , то J o  Qэт / 1  um , где Т0 = 1/ T

(4)

f0

o

= 1 + 2; f 0 , Т0 – оптимальная частота и период управляющего сигнала; 1 – определяется временем дипольной поляризации подзатворного диэлектрика, его объемом и для титаната бария 1  10-3…10-4 с. 2  Свх.R2, R2 > 1 кОм, где Свх. – емкость входной цепи ПЭП. Если в управляющую цепь ПЭП подведено напряжение Uус c f y = f 0 и Ucu > 0, то в его выходной цепи формируется пропорциональное измеряемому электрическому полю напряжение R Uвых. =  Uвх.Rн/Zвх. = SR 1  KE (5) iR x 2

где Ri – сопротивление канала. Синтезированный ПЭП обладает чувствительностью Еmin = 0,85 В/м и эффективно используется в устройствах контроля высоких постоянных напряжений.

119

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

УДК 681.3 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭКОНОМИКЕ Дручик С.С., Сычик В.А. Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь Модернизация экономики предполагает интенсивное использование информационных систем поддержки принятия решений на уровне предприятия, отрасли, региона, страны. Следует обратить особое внимание на разработку и освоение передовых информационно-коммуникационных технологий в производстве для создания условий по расширению информационных услуг и обеспечению производителей своевременной, достоверной и полной информацией. Информационная технология (ИТ) - совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта). Информатизация, таким образом, есть комплексный процесс информационного обеспечения социально-экономического развития общества на базе современных информационных технологий и соответствующих технических средств. Суть информационных технологий, это хранение больших объёмов информации на разных носителях и передача ее на любые расстояния в предельно минимальное время. Модернизация экономики предполагает интенсивное использование информационных систем поддержки принятия решений на уровне предприятия, отрасли, региона, страны. Понятие виртуальная или информационная экономика связано с тем, что информационные технологии и экономика - две связанные области, которые в совокупности дают положительный экономический эффект и положительный производственный результат. Построение информационных систем применяются в различных отраслях экономики. Так информационная экономика изменила функцию денег, которые на современном этапе выступают в роли средства расчетов. Сегодня плодом развития информационных технологий стали виртуальные банки и системы оплаты, которые играют огромную роль в экономической деятельности государства. В республике Беларусь правительством активно разрабатываются различные концепции по внедрению информационных технологий. Например: разработана и внедряется государственная программа «Электронная Беларусь». Кроме того, в рамках мероприятий правительства по внедрению технологий "электронного правительства", планируется создать портал, призванный обеспечить предоставление услуг в различных сферах на основе интернет-технологий. Также, информационные технологии помогают принимать экономиче-

120

ски важные решения и принимают непосредственное участие в процессе эффективного управления деятельностью. Современные модели информационных технологий позволяют просчитать и спрогнозировать экономически важный результат и на его основе принять верное управленческое решение. В зависимости от характера обработки информации в экономических информационных системах на различных уровнях управления можно выделить такие типы информационных систем: Electronic Data Processing (EDP) - системы обработки данных; Management Information System (MIS) - информационная система управления; Decision Support System (DSS) - система поддержки принятия решений. Система, в которой включены все 3 типа ИС, считается идеальной Также, данные модели позволяют осуществить подсчет совокупного экономического эффекта, риски и гибкость показателей системы. В экономике информационные технологии необходимы для эффективной обработки, сортирования и выборки данных, для осуществления процесса взаимодействия человека и вычислительной техники, для удовлетворения потребностей в информации, для осуществления оперативных связей и многого другого. Понятно, что решение об инвестициях в развитие информационных технологий, как и другие управленческие решения, должны приниматься с учетом экономической целесообразности. Но так уж получается, что эту самую выгоду удобнее всего просчитывать при помощи все тех же информационных технологий. Есть модели подсчета совокупного экономического эффекта, позволяющий учитывать, помимо всего прочего, дополнительные преимущества от внедрения информационных технологий, расширяемость и гибкость систем, а также возможные риски. Более того, необходимо отметить также образовательную составляющую, связанную с применением информационных технологий в экономике. Компьютерные информационные технологии предполагают: 1. Коллективную подготовку документов. 2. Возможность оперативной работы с графической информацией. 3. Представление числовых данных с помощью графических пакетов в виде различных видов графиков и диаграмм.

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

4. Оформление и тиражирование, рассылку и передачу информации с помощью электронной почты. 5. Использование различных устройств ввода/вывода информации 6. Использование пакетов прикладных программ (ППП) для решения различных экономических задач: прогноза, балансовых и т.д. Для того, чтобы ИТ работали, их надо уметь использовать с максимальной отдачей. Поэтому многие управленцы большое внимание уделяют обучению персонала и мониторингу новейших разработок в области информационных технологий в экономике. Классификация информационных технологий зависит от критерия классификации. В качестве критерия может выступать показатель или совокупность признаков, влияющих на выбор той или иной информационной технологии. Информационные технологии постоянно развиваются и совершенствуются, предоставляя всё новые возможности для улучшения качества,

снижения сроков проведения, облегчения работы. Изучение мирового опыта развития информационных технологий привело белорусских ученых к осознанию необходимости оперативного приобщения к данному процессу. Развитие информационно-телекоммуника-ционной инфраструктуры в масштабах страны - это необходимое условие для того, чтобы предприятия могли выйти на зарубежные виртуальные рынки, взять на вооружение самые передовые технологии электронного бизнеса, а создание общенациональных банков данных позволит сделать их привлекательнее для потенциальных клиентов, партнеров и инвесторов. Литература 1. Информационные системы и технологии в экономике и управлении: уч. Пособие / Под ред. В.В. Трофимова. М. : Высш. Школа, 2007. – 480 с. 2. Информационные системы в экономике: учебник / под ред. Г.А. Титаренко.–М. : Юнити, Дана, 2008. – 463 с.

УДК 681.3 РАЗВИТИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СФЕРЕ ЭКОНОМИКИ Дручик С.С., Сычик В.А. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Для обеспечения устойчивого экономического роста в Республике Беларусь и предупреждения внешних угроз экономической безопасности страны предусмотрено осуществлять развитие отраслей промышленности на основе модернизации и реструктуризации отраслей реального сектора, перспективах совершенствования информационных систем и технологий, особенно IT-индустрии технологического и организационного обновления производств с целью их приспособления к внутренним и внешним условиям рыночной экономики. Изучение информации развития экономики и мониторинг ее влияния на отечественную конкурентоспособность производителей способствует формированию эффективной стратегии устойчивого развития государства, в целях которой предусматривается разработка и реализация государственных и отраслевых программ научнотехнического, социально-экономического и экологического развития, направленных на модернизацию экономики, укрепление и развитие научнотехнического и производственного потенциала страны. В ходе реализации этих программ следует ежегодно разрабатывать и доводить до стадии внедрения новые типы машин, оборудования, приборов, материалов, технологических процессов. Информационная экономика, будучи новейшим типом, в процессе становления приобретает

его отличительные особенности, которые включают в себя значительное изменение потребностей инвесторов, производителей, потребителей и других участников экономических отношений. Чтобы достичь конкурентоспособной информационной экономики необходима государственная поддержка высокотехнологичных отраслей. Предметом исследования информационной экономики являются экономические отношения, которые складываются в процессе производства, распределения, обмена и потребления научнотехнической информации, а также экономические зоны производства и производительного применения научно- технической информации независимо от того, в каких бы секторах экономики ни разворачивались данные процессы. Развитие информационных и коммуникационных технологий могут быть проанализированы как на макро, так и на микроэкономическом уровнях. Микроэкономический уровень характеризует влияние новых технологий на автоматизацию производственных процессов предприятий с целью повысить конкурентоспособность производимой продукции. Для характеристики информационной экономики на макроэкономическом уровне могут использоваться такие факторы как индекс глобальной конкурентоспособности (The Global Competitiveness Index – это глобальное исследование и сопровождающий его рейтинг стран

121

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

мира по показателю экономической конкурентоспособности); объем ВВП в сфере информации и телекоммуникаций, развитие электронного правительства (В рейтинге ООН по уровню развития электронного правительства (United Nations EGovemment Survey 2016), который составляется один раз в два года( Беларусь оказалась на 49-м месте из 193) и другие. Сводный индекс (E-Govemment Development Index) нашей страны, который вычисляется по трем основным показателям, достиг 0,6625 (при общемировом EGDI - 0,4922). Выше всего оценили эксперты ООН индекс человеческого капитала - 0,8716. Общий уровень развития телекоммуникационной инфраструктуры - на 0,6304 «балла», индекс широты охвата и качества предоставления онлайн-услуг с результатом 0,4855 замкнул тройку. Республика Беларусь, при многомерной государственной поддержке высокотехнологических отраслей, имеет все предпосылки к инновационной стратегии развития производства и должна полностью реализовать себя в сфере информационных технологий, которая становится двигателем экономического развития в современных

условиях, что позволит стране занимать лидирующие места в мировом распределении товаров и услуг. Анализ развития информационной экономики в Беларуси показал, что она формируется в недрах традиционной промышленной экономики быстрыми темпами и приводит к изменениям во всех секторах экономики, таким образом, становясь отдельным стратегически важным ресурсом. Идея создания в Республике Беларусь Парка высоких технологий (ПВТ), как особой экономической зоны со специальным налогово-правовым режимом для развития ИТ-бизнеса, создала в Беларуси условия для развития индустрии экспортно-ориентированного программирования и иных экспортных производств, основанных на высоких технологиях, а также для концентрации кадрового, научно-производственного и инвестиционно-финансового потенциала для повышения конкурентоспособности национальной экономики. Литература 1. Национальная стратегия устойчивого социальноразвитая Республики Беларусь на период до 2020 года.

УДК 621 АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Шабура М.А., Колонтаева Т.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь В последнее время можно отметить возрососновных параметров состояния. Для сложных ший интерес к исследованию фазовых состояний систем, состоящих из многих фаз и компонентов, в многокомпонентных сегнетоэлектрических сипостроение диаграммы состояния является стемах, твердых растворах различных сегнетоединственным методом, позволяющим на электрических материалов. практике установить, сколько фаз и какие Твёрдые растворы – основа всех важнейших конкретно фазы образуют систему при данных конструкционных материалов. Свойства твёрдых значениях параметров состояния [1]. растворов регулируют их составом, термической В классическом физико-химическом анализе или термомеханической обработкой. Легировансистемы исследовались только в равновесном соные полупроводники и многие сегнетоэлектрики, стоянии. На таких диаграммах любая точка опиявляющиеся основой современной твердотельной сывает состояние системы. электроники, также являются твёрдыми раствоФизико-химический анализ, используют для рами. Кристаллическим твёрдым телам свойисследования и синтеза новых соединений в рественна способность образовывать твёрдые расзультате необратимых реакций в неравновесных творы. В большинстве случаев эта фаза огранисистемах. Исследование систем в процессе перечена узкими пределами концентраций, но хода в равновесное состояние позволяет устаноизвестны системы с непрерывным рядом твёрдых вить не только существование конечных продукрастворов. тов, но и промежуточных соединений, а также обФизико-химический анализ позволяет проанаразующихся неустойчивых веществ. лизировать исходные системы для синтеза разПутем построения и геометрического анализа личных материалов электронной техники. Одним диаграмм состояния (в координатах «состав-темиз направлений теории физико-химического анапература») можно обнаружить существование хилиза является изучение топологии диаграммы. мических соединений, синтез которых позволяет Диаграмма состояния (фазовая диаграмма) графиполучить материалы с уникальными свойствами. чески изображает все возможные состояния Целью данной работы является изучение и термодинамической системы при изменении анализ диаграмм состояния двухкомпонентных

122

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

систем «BaO−TiO2» и «Bi2O3−TiO2» для синтеза керамических материалов с сегнето-электрическими свойствами. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы «BaO−TiO2» представлена на рисунке 1.

широком температурном диапазоне. Это позволяет применять этот материал в радио-, акусто-, и оптоэлектронике. Титанат висмута синтезируется на основе фазовых превращений в двухкомпонентной системе «оксид висмута−оксид титана», диаграмма которой представлена на рисунке 2 [2].

Рисунок 1−Диаграмма состояния двухкомпонентной системы BaO−TiO2

Ряд авторов изучали указанную диаграмму и имеется ряд исследований по качеству образуемых в системе химических соединений [2]. В представленной области концентраций идентифицируются 4 химических соединения: BaTiO3, BaTi2O5, BaTi3O7, и BaTi4O9. Указанные соединения имеют разный тип плавления: первое плавится конгруэнтно без разложения, остальные три - проявляют инконгруэнтное плавление. Особое внимание уделяется соединению BaTiO3 так как титанат бария обладает высокими диэлектрическими свойствами, позволяющими применять его в электротехнике и микроэлектронике. Титанат бария отличается высокой диэлектрической проницаемостью, большим пьезомодулем, удобной для технических применений температурой Кюри (120°С), большой механической прочностью, термической устойчивостью. Также это соединение является многоосным сегнетоэлектриком, т.е. в нём существует несколько возможных направлений спонтанной поляризации – в противоположность сегнетовой соли, которая является одноосной. Поэтому его можно использовать для технических применений в виде поликристаллов (керамики), а не в виде дорогостоящих монокристаллов [3]. Анализ диаграммы (рисунок 1) позволяет установить наличие полиморфных модификаций титаната бария. При комнатной температуре стабильна тетрагональная модификация, при 120 ℃ она переходит в кубическую форму. Гексагональная модификация стабилизируется после 1460℃. Выше 1618℃ соединение переходит в расплавленное состояние. Перспективным материалом с сегнетоэлектрическими свойствами является титанат висмута, который способен сохранять свои свойства в

Рисунок 2 – Диаграмма состояния двухкомпонентной системы Bi2O3−TiO2

Анализ диаграммы показал, что в системе «оксид висмута− оксид титана» образуется 4 химических соединения, которые проявляют инконгруэнтное плавление, при котором происходит разложение исходного соединения с выделением кристаллов другого типа. Три из четырех соединений являются стабильными: Bi4Ti3O12, Bi2Ti4O11, и Bi12TiO20, а соединение Bi2Ti2O7 со структурой пирохлора является метастабильным, поэтому на диаграмме отмечено штрихпунктирной линией. Температура разложения метастабильной фазы выше 670 ℃ с образованием механической смеси соединений Bi2Ti4O11 и Bi4Ti3O12. Соединение Bi12TiO20 имеет структуру силленита с 12-ти кратным избытком висмута (6Bi2O3∙TiO2). Соединение Bi4Ti3O12 относится так называемым фазам Ауривиллиуса со структурой перовскита. В системе образуется еще одно соединение со слоистой структурой Bi2Ti4O11. Рассмотренные двухкомпонентные системы являются базовыми для разработки сегнетоэлектрических керамических материалов. Материалы для конденсаторов подразделяют на 3 группы: ‒ с максимальной диэлектрической проницаемостью; ‒ с повышенной температурной стабильностью диэлектрической проницаемости; ‒ с пониженными диэлектрическими потерями [4]. В основе всех этих групп лежат материалы кислородно-октаэдрического типа, например титатат бария и твердые растворы на его основе.

123

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Большое значение имеют модифицирующие добавки, которые оптимизируют свойства сегнетоэлектрических материалов. Улучшения свойств можно достигнуть либо при получении керамики на основе однофазных твердых растворов, или при формировании двух и более фаз, которые отличаются по свойствам и вызывают сглаживание температурной зависимости диэлектрической проницаемости [4]. Группу сегнетоэлектрических материалов существенно расширяют и дополняют твердые растворы на основе различных соединений. Подобные растворы часто отличаются по своим свойствам от их ингредиентов. Сегнетоэлектрические кристаллы характеризуются многообразием структурных типов и химического состава, что свидетельствует о различии молекулярных механизмов возникновения спонтанной поляризации.

Синтез соединений со стабильными сегнетоэлектрическими свойствами по-прежнему остается актуальным направлением в материаловедении. Литература 1. Аносов В.Я., Озерова М.И., Фиалков Ю.Я., Основы физико-химического анализа / В.Я. Аносов. М. : Наука, 1976. – 504 с. 2. Торопов Н.А. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник / Н.А. Торопов. – Ленинград: Издат. Наука,1969. – 822 с. 3. Струков, Б.А., Леванюк, А.П. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах / Б.А. Струков. М. : Наука, 1995. – 240 с. 4. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов: учебное пособие для вузов / Ю.М. Таиров, В.Ф. Цветков. – СПб : Издат. Лань, 2002. – 424 с.

УДК 336 РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В КИТАЕ Мелюшин П.В., Афанасенко А.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Экономическое и социальное развитие Китая предопределяют существенные изменения в потребительском поведении на самом большом рынке мира. Начиная с 2011 г. агенство МЕС China проводит изучение основных потребительских трендов населения страны. Методика составлению прогноза основана на получении данных от 50 наблюдателей из различных областей страны. Для улучшения методологического подхода, агентство MEC отобрало наиболее часто упоминаемые наблюдателями тренды и опросило 565 потребителей из 7 городов составить их рейтинг в ходе онлайн-опроса. Затем компания проанализировала данные нескольких исследований по результатам потребления и приверженности к определенным средствам рекламы, выделив количественные данные для того, чтобы составить рейтинг из наиболее часто отмечаемых трендов. В настоящее время ими являются: Индивидуальное потребление. Современные китайцы рассматривают индивидуализм как качество, которым необходимо обладать и которое нужно успешно развивать. Нынешнее поколения китайцев не скрывают наличие собственных интересов. Они охотнее, чем раньше, делятся личной информацией с другими и не стесняются быть центром внимания. Примером этой тенденции является рост популярности персональных медиа, в т. ч. блогов, микро-блогов и личных страниц. У каждого индивида появилась возможность иметь собственную платформу для «вещания» и он, в свою очередь, является

124

источником информации и центром своей сферы влияния. Гибридная экономика. С развитием экономики и повсеместным распространением Интернета политика сосредоточения исключительно на собственном развитии становится слишком опасной для участников рынка. Все большее количество брендов и категорий экономики начинают экспериментировать с новыми формами совместных предприятий. Развивается социальное телевидение, соединяющее в себе собственно телевидение, мобильные устройства и социальные сети. Ранее не связанные друг с другом категории экономики вступают в альянс, чтобы соответствовать изменившимся нуждам потребителей. Повсеместное распространение технологий. Из-за изменений, произошедших в современном образе жизни, люди стали более зависимыми от науки и технологий. Человек носит с собой целый набор высокотехнологичных и узкоспециализированных устройств. Интеграция технологий становится главным трендом. Многие устройства уже явно или неявно связаны друг с другом. В будущем вместо обилия высокотехнологичных устройств с одной–единственной функцией потребители обнаружат себя окруженными технологиями со всех сторон. Бесплатные услуги. Рыночная концепция «бесплатных услуг» рекомендует предоставлять потребителям возможность приобрести определенные товары и услуги без необходимости пла-

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

тить за них. Все большее число брендов включает «бесплатную» стратегию в свои кампании по завоеванию рынка. Бесплатные образцы из инструмента продвижения нового товара превращаются в долговременную бизнес-модель. Категория «бесплатности», в свою очередь, может принимать различные формы: бартера, обязательного участия потребителя в продвижении товара или даже фактической оплаты товара путем осуществления неких услуг для компании-производителя. Диктатура потребителей. Новый путь к успеху в эпоху Интернета – научиться использовать мудрость и силу широких потребительских масс в наиболее выгодном ключе. Кокон. За последние годы тренд к домоседству превысил критическую массу в Китае и становится все более заметным. Его интенсивное распространение влечет за собой образование новой Zhai-экономики: доставка товаров на дом, электронная коммерция, повышенный спрос на коммуникационные и высокотехнологичные товары. Принимая во внимания продолжающуюся интеграцию технологий и медиа, брендам следует разработать основную идею, которую легко развивать, и контент достаточно пластичный для того чтобы беспрепятственно перетекать из одного информационного канала в другой. И на оборот, в каждом информационном канале может содержаться различная информация о бренде, что, в свою очередь, будет поощрять потребителей на сбор сведений о бренде или на использование разрозненных частей информации о бренде для создания собственного «пользовательского контента» бренда.

Максимальное использование возможностей широких масс потребителей становится главной целью, которую участники рынка должны достичь. Им следует не только приглашать потребителей к обсуждению бренда, но и использовать их креативный и инновационный подход, предлагая реально участвовать в развитии товаров и услуг. Границы «новых медиа» продолжают расширяться и позволяют каждому отдельному потребителю стать потенциальным информационным каналом для распространения бренда. В то же время «бесплатная» стратегия – это эффективное средство подключить потребителей к распространению месседжа бренда в обмен на товары и услуги. Для того чтобы воспользоваться набирающим силу трендом в отношении домоседов, нужно сделать три шага: 1) стать «другом» потребителя в цифровом мире и помочь ему вести полноценный образ жизни, 2) выстроить позитивный образ бренда, инициировать и принимать участие в таких мероприятиях, которые смогут выводить домоседа в реальный мир и познакомить его с другими людьми; 3) стать мостом, который незаметно поможет ему соединить виртуальный и физический миры. Обозначенные тренды представляет собой широкую точку зрения на бизнес-процессы. Умение делать выводы о новых и набирающих силу трендах даст участникам рынка большое конкурентное преимущество в битве за потребителя и вдохновит их на создание новых бизнес-концепций, новых товаров или услуг и новых подходов к потребителям.

УДК 336 ОПТИМАЛЬНАЯ ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ «УМНОГО ГОРОДА» Мелюшин П.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Исследованию технологий умного города посвящено большое количество публикаций а создание концепции «умные города» превратилось в большой технологический тренд. По оценкам международной консалтинговой компании McKinsey ожидается появление более 600 «умных городов» уже к 2020 году. Разработка и внедрение основывается на локальных направлениях. Так при реализации программы «умных городов» в пригороде Абу-Даби – Масдаре основное внимание уделяется вопросам рационального использования энергии, использования водных ресурсов и транспортной инфраструктуры. Экономико-математическая модель. Цель создания «умного города» – повышение уровня жизни населения путем использования тех-

нологии городских информационных систем (ИС) для роста эффективности обслуживания и удовлетворения нужд потребителей услуг. ИС дают возможность органам города тесно сотрудничать с сообществами, управлять городской инфраструктурой, контролировать развитие города. Применение устройств, работающих в режиме реального времени, позволяет обрабатывать и анализировать поступающую информацию ИС дают возможность повышения качества услуг, роста производительности городских служб, снижения затрат при использовании материальных и финансовых ресурсов, улучшения связи между городскими жителями и управленческими органами в городе.

125

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

Отрасли, которые улучшают технологию «умного города» включают в себя государственные услуги, управление городской транспортной сетью, рациональное использование энергии, здравоохранение, рациональное использование воды, инновационные сельское хозяйство и утилизация отходов. Используемая технология индикатора подлинного прогресса GPI рассматривает домохозяйства как основной блок благосостояния нации. Учетная деятельность начинается с учета личных расходов на потребление. Для этого GPI добавляет выгоды, связанные с деятельностью по повышению благосостояния, таких как воспитание детей, работа по дому, добровольчество и высшее образование, а также услуг, которые поступают из домашних хозяйств, капитальной и общественной инфраструктуры. Затем GPI вычитает расходы, связанные с загрязнением, потерей досуга и добавляет увеличение капитала от международной торговли. Технология GPI делает наглядным тот факт, что само по себе количество экономической активности мало что значит для оценки её вклада в благосостояние без информации о её качестве. Расчетная формула выглядит следующим образом: GPI = A+B - C - D + I, где A – потребительские затраты, скорректированные с учётом распределения доходов; B – ценность нерыночных услуг, увеличивающих благосостояние; C – индивидуальные затраты на защиту от ухудшения экологической обстановки; D – цена деградации общества, природной среды и истощения не возобновляемых ресурсов; I – увеличение капитала и баланс международной торговли. Критерий целевого состояния городского конгломерата определяется линейной суммой 26 показателей (GPI). Математическая оптимизационная модель формулируется следующим образом. Для заданных интервалов минимальных объемы услуг Хмин и максимального Хмах, для 26 показателей GPI определить суммарные затраты, обеспечивающие максимум благосостояния 26

Z 

Хi - --  максимум

i 1

26

Z 

Aij * Хi < Rj

i 1

где Хi – объемы услуг 26 показателей; Aij – доля расхода j -ого ресурса на прирост i- ого вида услуг; Rj – j-ый ресурс, располагаемый городом. Анализируются три класса ограничений Rj для городского конгломерата: – Ресурсные ограничения, связанные с ограниченностью имеющихся материальных, финансовых, кадровых и других ресурсов городского конгломерата.

126

– Ограничения, связанные с недопустимостью ухудшения динамики других показателей, как следствие осуществления принимаемых решений. – Внешние ограничения, обусловленные социальными, экономическими, политическими факторами, возникающими вне сферы управления, но непосредственно либо косвенно, воздействующими на нее. Взаимосвязь действия объективных экономических тенденций в модели. – инструмент анализа проблем связанных с будущим воздействием на текущее благосостояние городского конгломерата. Исходные данные для подсчёта GPI. В разработанной ЭММ источниками информации является база данных города и отчетная статистика. Все переменные целевой функции Х1-Х26 имеют ценностное значение (прироста либо потерь) и приведены в расчёте на душу населения. Базовая система ограничений включает следующие ресурсы: 1. Энергетика: автоматизированная интеллектуальная энергосеть и гибкая распределительная система; интеллектуальная система учета и регулирование спроса; интеграция возобновляемых видов энергии 2. Водоснабжение: автоматизированные водозабор, водораспределение, водоотведение и обнаружение утечек; регулирование дождевого стока и паводковых вод в городе; 3. Транспорт: контроль транспортных потоков и качества дорожного покрытия; 4. Сбор платы за пользование дорогами; инфраструктура зарядных станций для электромобилей; программно-аппаратный комплекс управления дорожным движением и общественным транспортом. 5. Безопасность: системы видеонаблюдения, видеофиксации и обеспечения физической безопасности объектов инфраструктуры; системы обеспечения вызова экстренных оперативных служб 6. Услуги: электронные правительство, образование, здравоохранение и туризм. 7. Интеграция: единое информационное пространство умного города, агрегирующее информацию от объектов городской инфраструктуры, системы управления и жителей. 8. Правительство: системы поддержки принятия решений, анализа и прогнозирования, управления инцидентами, предоставления муниципальных услуг в электронном виде 9. Жители: пользователи объектов инфраструктуры и информационных услуг; поставщики информации в режиме "обратной связи". Экспериментальное исследование. В режиме реального времени накопленные данные от городских жителей и устройств поступают в ЭММ. Коэффициенты в ЭММ получаются из причинно-следственных связей между перемен-

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

ными целевой функции Х1-Х26 и ресурсами. Ведется отработка программного интерфейса между базой данных и матрицей оптимальной модели с учетом используемых баз данных. Работа по исследованию эффективности ЭММ выполняется в среде Linux язык С++ с использованием оболочки QT4. Оптимальный алгоритм симплекс метода заимствован (среда Windows 32 оболочка C++ Builder).

Интерфейс для пользователей заимствован (среда Windows32 оболочка C++ Builder). Функциональные зависимости У=f (Z) определялись методом наименьших квадратов. По стандартным формулам вычислялись коэффициенты а и в в уравнении У = а + в * Z. В первом варианте для хранения данных ЭММ использован MySQL включенный в среду Linux.

УДК 681 МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ СКОРОСТИ СТЕКАНИЯ ЗАРЯДА НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ Пантелеев К.В.1, Жарин А.Л.1, Свистун А.И.1, Тявловский К.Л.1, Самарина А.В.1, Опеляк М.2, Ардашев Д.1 1 Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь 2 Люблинский политехнический институт Люблин, Польша Введение. Проведенные ранее исследования показали, что применение зарядочувствительных методов, в частности зонда Кельвина, в совокупности с внешним оптическим воздействием видимого диапазона, значительно повышают информативность контроля диэлектрических материалов. В случае фоточувствительных полимерных материалов, данный метод позволил получить информацию о таком практически значимом параметре, как поверхностная фотоЭДС [1]. Целью настоящей работы является проведение экспериментальных исследований и установление корреляционных связей отклика собственного и/или приобретенного в результате внешних воздействий поверхностного электрического потенциала (заряда) полимерных материалов на оптическое воздействие в спектре ультрафиолетового излучения. Приборы. Для исследования параметров распределения статического потенциала поверхности полимерных материалов использована сканирующая модификация зарядочувствительного зонда по методу Кельвина-Зисмана [2]. Основные технические характеристики установки: – контролируемый параметр: собственный и/или приобретенный в результате внешних воздействий поверхностный потенциал (заряд); – диапазон измерения электрического потенциала поверхности: ± (2…2500) мВ; – динамическая погрешность измерения: не более 2,0 мВ; – максимальные линейные размеры измеряемого образца: 200х200 мм; – пространственное разрешение при сканировании: не менее 0,5 мм. Материалы и методы экспериментальных исследований. В качестве образца экспе-

риментальных исследований служил полиамид марки ПА6 210/310 производства филиала «Завод Химволокно» ОАО «ГродноАзот». Образец представляет собой диск диаметром 20 мм и толщиной 2 мм. Исследования пространственного распределения собственного и/или приобретенного статического потенциала (заряда) поверхности образца проводили до и после воздействия ультрафиолетовым (УФ) излучением. В качестве источника воздействия использованы лампы с сине-фиолетовым и ультрафиолетовым светом «Omnilux UV Tube 20W» с длиной волны от 320 до 360 нм, и ДРК120 с длиной волны 360–440 нм. Результаты и их обсуждение. Для оценки влияния УФ излучения на параметры пространственного распределения поверхностного потенциала, измерения проводили в следующей последовательности: 1) без специальной подготовки образца к измерению (рисунок 1, а); 2) после воздействия УФ излучением (использована лампа «Omnilux UV Tube 20W») около 20 минут (рисунок 1, б); 3) повторные измерения через два часа (рисунок 1, в); 4) после статической электризации трением при натирании шерстяной ветошью (рисунок 1, г); 5) после последующего воздействия УФ (около 20 минут), в этом случае в качестве источника УФ использована лампа ДРК-120 (рисунок 1, д). Различные источники УФ использованы для оценки интенсивности стекания заряда при воздействии излучением различного спектра. Для этого регистрировали значение статического потенциала в одной точке измеряемой поверхности с интервалом до 2 секунд (определяется временем установления сигнала) при непосредственном воздействии УФ (этапы 2 и 4), рисунок 2.

127

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

а

б

в

г д Рисунок 1 – Карты пространственного распределения статического потенциала поверхности образца ПА-6: а – без специальной подготовки образца; б – после воздействия УФ излучением; в – повторные измерения через 2 часа; г – после статической электризации трением при натирании шерстяной ветошью; д – после последующего воздействия УФ излучением

В общем случае из всех визуализированных карт распределения поверхностного потенциала (рисунок 1) основным наблюдаемым эффектом является его неравномерное распределение с множеством локализованных максимумов, расположенных в основном по краю образца. Воздействие УФ приводит к значительному стеканию потенциала (рисунок 1, б), в центральной области образца регистрируемое относительное значение потенциала снизилось в 3–4 раза и составило 10– 30 мВ. Области с большей плотностью заполнения поверхностных состояний расположены у края образца, также, как и в случае исходного образца (рисунок 1, а), при этом максимальное значение потенциала составило не более 40 мВ. При повторных измерениях (через два часа), регистрируемое значение потенциала уменьшилось в среднем на 25% (рисунок 1, в), т.е. заряд продолжил стекать, что в общем случае согласуется с известными теориями. Значение потенциала в центральной области образца составило 0– 20 мВ, максимальное локализованное значение потенциала составило около 30 мВ. Характер распределения практически повторяется. В случае электризации трением (рисунок 1, г), приобретенный статический потенциал распределен равномерно по большей площади образца на

128

уровне около 350 мВ. При этом в центральной области зарегистрирован потенциал обратной полярности (около минус 160 мВ). Последующее воздействие УФ снижает значение потенциала до 20-30 мВ (рисунок 1, д). Последнее также указывает на достаточную воспроизводимость измерений в сравнении с рисунком 1, б.

Рисунок 3 – Скорость стекания заряда от интенсивности и продолжительности воздействия ультрафиолетовым излучением с длиной волны 320–360 нм (1) и 360–440 нм (2)

Заключение. Результаты экспериментальных исследований зондом Кельвина в совокупности с

Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности

внешним воздействием УФ излучением показали интенсивное стекание интегрального значения заряда по экспоненциальной зависимости (рисунок 3), при этом в случае использования лампы ДРК120 с длиной волны 360-440 нм стекание поверхностного заряда более интенсивно. На основании полученной зависимости предложено использование УФ излучения для снятия заряда наэлектризованного материала или изделия на основе полиамидов перед измерением средствами зонда Кельвина.

Литература 1. Анализ распределения электрофизических и фотоэлектрических свойств нанокомпозитных полимеров модернизированным зондом Кельвина / К.В. Пантелеев, А.В. Кравцевич, И.А. Ровба, В.И. Лысенко, Р.И. Воробей, О. К. Гусев, А. Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т. 8, № 4. – С. 386–397. 2. Пантелеев, К.В. Построение измерителей контактной разности потенциалов / К.В. Пантелеев, В.А. Микитевич, А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2016. – Т. 7, № 1. – С. 7–15.

УДК 167.4 ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР И ОКРУЖАЮЩИЙ МИР КАК ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Мельников В.Е. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) Москва, Российская Федерация Объектами исследования в данной работе являются человек и окружающая Среда, которую оценивает человек, являясь своеобразным субъективным «эталоном». Каков эталон такова и мера, таковы и оценки, представления, выводы, не всегда объективные. То есть, причины проблем - в иллюзиях человека на свой счет, во вседозволенности, безнаказанности. В неспособности или нежелании реально взглянуть на Мир, в котором все взаимосвязано и взаимозависимо, отказавшись от привычного. Это земля, природа, космическое пространство (КП), сам человек. Именно такое единство имеем в виду в проводимом анализе, позволяющее приблизиться к Правде о Мире, о Земле, о Человеке, о Боге, наконец. К Правде, которую не придется искать. Она – на виду. Только на такой основе и можно создать более достоверное представление о происходящем, а не блуждать в потемках. Окружающий Мир. - Что собой представляет? Начнем с теории «Большого Взрыва», признанной «фундаментальной» на основании всего лишь двух законов физики: - красное смещение линий спектра излучения светил и эффект Доплера. Применив эти законы к замеченным феноменам космического пространства, сделали вывод о расширяющейся Вселенной, о «разбегающихся» в космическом вакууме светилах с нарастающей скоростью. А, может быть, все совсем не так. Может быть, КП – совсем не пустота, не космический вакуум, с «разбросанными» на огромные расстояния материальными объектами. Но некая среда, например, всепроникающий Эфир, отвергнутый учеными, до сих пор не сумевших ни опровергнуть его существование, ни обнаружить его. Постановили, значит, его не существует и надолго успокоились.

Если же Эфир – реальность, среда, способная помимо прочих известных свойств замедлять скорость света. Тогда Вселенная не торопится «разбегаться». Она вполне стационарна, а тонкая эфирная среда к тому же может быть местом пребывания вне телесных структур божественной иерархии. Тогда многое становится более понятным. Например, феномен «царства небесного», которое призывают «прийти» на землю христиане в Главной молитве, обращаясь к «Отцу своему»? Ведь молитва не может быть обращением в никуда, «на деревню дедушке…». Это элемент двухсторонней связи, реализуемой в эфирной среде, обладающей способностью транспортировать и хранить информационные потоки, осуществлять информационную и ресурсную связь условно «низа» и «верха». Информация. Смысл этого понятия слишком «размыт» и неоднозначен. Обратим внимание на само слово, например, в таком написании: - «информа- ция», или в английской транскрипции: in-forma-tion. Версия: - Смысл – внутри (ин) Формы. В более широком представлении: - материальные Формы и их скрытый «тонкий» Смысл. То есть любая, прежде всего природная, материальная Форма имеет «тонкий» Смысл, обеспеченный и в безусловном порядке поддерживаемый «создателем» Формы. Мектуб - так устроен Мир, таковы его Законы [1]: – Соответствие Формы и её Смысла; – Об ответственности «создателя» Формы за обеспечение Смысла Формы; – О сохранения Смысла Формы. Искусственные формы создает человек из естественных форм, навязывая им противоестественный смысл, забывая его поддерживать. Уже здесь просматривается конфликт. Элементы таблицы Менделеева, это базовые природные формы с божественным смыслом. Из

129

12-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2019»

базовых атомов могут формироваться более сложные естественные образования – формы с новыми смыслами – свойствами. Например, Н2О – вода. При определенных условиях она может снова разделиться на кислород «О» и водород «H» или «H2». Но их свойства (Смысл) вернутся к исходным. Природные технологии жизни. Реализуются по естественным технологиям и Законам. Это самовоспроизводящиеся процессы; безотходное производство; – утилизируемые продукты производства; – технологии, увеличивающие ресурсный потенциал земли за каждый технологический цикл; – технологии с коэффициентом полезного действия (КПД), более 100%. О людских технологиях говорить не будем. Здесь все ясно: – технологии, уничтожающие землю и все живое. КПД