Methods of measurement of parameters of microprocessor-based automated control systems for explosion and fire safety
Аннотация: Рассмотрена эффективность функционирования автоматизированных систем управления взрывопожаробезопасностью промышленных предприятий на основе физико-технических характеристик компьютерных микропроцессорных систем: удельное электрическое сопротивление, критическая температура перехода, критическая плотность тока.
Ключевые слова: микропроцессорные системыавтоматизация производства
Автор:Кузнецов Сергей Алексеевич | Бутузов Станислав Юрьевич |
Эффективность функционирования АСУ взрывопожаробезопасностью промышленных предприятий определяется величиной основных параметров входящих в их состав микропроцессорных устройств [1].
Основными физико-техническими характеристиками компьютерных микропроцессорных систем АСУ взрывопожаробезопасностью промышленных предприятий являются:
Разработанные к настоящему времени методы измерения данных параметров обладают одним очень существенным недостатком: все они разработаны для низкотемпературного диапазона (90 150К), что делает совершенно неприемлемым их применение для перспективных проводящих материалов, использование которых предполагается в диапазоне 300 450К. Также существует ещё ряд недостатков используемых в настоящее время методов.
Ответить на вопрос о наличии сверхпроводящей фазы в синтезируемых соединениях позволяет метод, представленный в [205]. Метод основан на эффекте поглощения модулированного микроволнового излучения в слабых магнитных полях при температуре T<Tc, с учётом того, что температурная зависимость величины поглощения изменяется при изменении фазового состава материалов. Для однофазного материала поглощение максимально вблизи Tc, исчезает при T=Tc и монотонно спадает при уменьшении температуры. Для исследования поглощения обычно используется спектрометр типа Varian Е-112. Измерения проводятся на частоте 9,5 ГГц при мощности излучения 50 мВт при частоте модуляции сигнала 100 кГц. Точность измерения температуры должна быть при этом не менее 0,1 К. Основным недостатком данного метода является неоднозначность определения фазового состава проводящих фаз в образце, в том случае, если в нём наблюдается неоднородность состава. В этом случае необходимо проводить ещё и анализ состава рентгенофазовым методом.
Критическая плотность тока Jпл тонких эпитаксиальных плёнок сверхпроводящих материалов в настоящее время контролируется методом визуализации магнитного потока с использованием специальных пленок с цилиндрическими магнитными доменами. Метод является разрушающим, и поэтому его невозможно использовать для того, чтобы измерять характеристики электронных микросхем, предназначенных для использования в компьютерных системах.
Для измерения Tc используют сертифицированную установку, основанную на определении действительной и мнимой части магнитной восприимчивости с помощью мостового метода Хартшорна. Однако по данной методике время проведения одного эксперимента составляет около 12 часов.
Заслуживает внимание комплекс технических средств, предназначенный для измерения физико-технических характеристик проводящих материалов, который разработан в институте монокристаллов Академии наук Украины [2]. Критическая температура перехода Tc определяется по измерению на переменном токе магнитной восприимчивости с использованием индукционных катушек, также включённых по схеме моста Хартшорна. В одну из катушек измерительной ячейки устанавливается ампула с исследуемым материалом. Действительная и мнимая части магнитной восприимчивости регистрируются двухкоординатным самописцем. Рабочая частота – от 1 до 20 кГц при токе до 0,3 А. Погрешность измерений на такой установке не превышает 1%.
Измерение плотности критического тока J осуществляется импульсами тока частотой до 10 Гц, длительностью до 100 мкс четырёхзондовым методом. Величина тока через образец варьируется в пределах от 0 до 100 А. для проведения измерений на образцы наносятся контакты из индий-галлиевой пасты методом ультразвуковой металлизации. Блок-схема установки представлена на рис. 1.
2 3 4 8 7 6 5 9 Рис.1. Блок-схема измерительной установки для определения основных параметров проводников.
9
Здесь обозначены:
Однако, на данной установке можно измерять критическую плотность тока до величины 104 А/см2, при этом метод также является разрушающим.
Другой прибор, используемый для бесконтактного измерения величины критического тока в спрессованных сверхпроводящих таблетках в настоящее время, был разработан в институте теплофизики Уральского отделения Академии наук России [3]. Принцип действия прибора: в сверхпроводящем образце - цилиндрической таблетке или кольце - индуцируют внешним магнитным полем Но кольцевой бездиссипативный ток и измеряют магнитное поле , создаваемое этим током на торцевой поверхности образца. Плотность критического тока (т.е. максимальная плотность тока, при которой отсутствуют потери энергии) , где F - функция геометрических размеров образца и расстояния z датчика магнитного поля от поверхности образца, учитывающая также неравномерное распределение тока по сечению образца. Величину НJ находят, измеряя внешнее поле Н01, при котором на поверхности образца (в центре) появляется магнитный поток. При этом HJ= Н01-Hg, где Нg - поле от внутригранульных токов. Поправка на поле Нg определяется при увеличении внешнего поля до значения Н02, при котором HJ=0.
Прибор состоит из электронного блока и низкотемпературной измерительной ячейки, в которой размещены соленоид, преобразователь Холла (ПХ) и держатель образца. Размеры образца выставляются на приборе. Электронный блок содержит микропроцессорный контроллер, который управляет разверткой тока в соленоиде, читает показания ПХ, производит вычисление плотности тока при данных размерах образца и отображает полученное значение на устройстве индикации. Значения J, измеренные прибором и четырёхконтактным методом, отличаются не более чем на 20%.
Диапазон измеряемых значений критической плотности тока меняется от 10 до 104 А/см2, что также не перекрывает диапазон возможных значений этого параметра в проводящих материалах.
Тем не менее, не смотря на указанные недостатки, метод был рекомендован для использования при проведении сертификационных измерений проводящих материалов.
Проведённый анализ показал, что к настоящему времени отсутствуют неразрушающие экспрессные методы измерения физико-технических параметров проводящих материалов, имеющие характеристики, удовлетворяющие требованиям технологического производства, а также метрологические установки, позволяющие в комплексе в динамике контролировать основные физико-технические параметры устройств.
Для решения данной задачи разработан автоматизированный комплекс бесконтактных методов, позволяющих контролировать необходимые параметры в широком диапазоне значений.
Литература