Датчики на основе спектрального анализа способны изменить подход к производству

СОДЕРЖАНИЕ:

Эмиссионный спектральный анализ

Эмиссионный спектральный анализ один из наиболее распространенных методов элементного анализа вещества, основанный на регистрации атомных эмиссионных спектров с помощью специального прибора — спектрографа. Эмиссионный спектр состоит из набора очень узких линий, который определяется электронной структурой атомов и является характеристичным для каждого элемента. Интенсивность линий в спектре зависит от содержания атомов данного элемента в пробе.

В практике спектрального анализа обычно используют призменные, решеточные, а также призменно-решеточные спектрографы. В комплект оборудования для спектрального анализа входят спектропроектор для увеличения спектров и микрофотометр для измерения интенсивности почернения линий спектра на фотопластинке.

Среди других методов элементного анализа спектральный анализ при исследовании микропроб живописи имеет ряд преимуществ: он обладает высокой чувствительностью, позволяя определять в образце весом до 4 мг элементы с содержанием 10 -2 -10 -3 %; на одной фотопластинке, которая служит документом и позволяет в любое время вновь вернуться к ее анализу, регистрируются одновременно все элементы пробы; эмиссионные спектры легко интерпретировать, а приборы для спектрального анализа доступны для реставрационных и музейных лабораторий.

В настоящее время существует два основных варианта спектрального анализа, различающихся по способу испарения образца и возбуждения свечения, а также по характеру подготовки пробы.

В обычном спектральном анализе блок сжигания образца и возбуждения плазмы состоит из высоковольтного генератора и штатива с угольными электродами. Пробу (0,5-5 мг) измельчают, смешивают с порошком графита и помещают между электродами, после чего между ними возбуждают электрическую дугу или искру. За счет возникающей при высоковольтном электрическом разряде высокой температуры образец испаряется, а атомы и ионы испарившегося вещества возбуждаются и излучают свечение. Преимуществом этого варианта спектрального анализа является высокая чувствительность. Это один из наиболее простых методов элементного анализа, особенно эффективного в тех случаях, когда в микропробах необходимо одновременно определить все основные, примесные и микропримесные элементы.

В лазерном спектральном микроанализе с помощью микроскопа на поверхности пробы фокусируется мощный световой импульс лазера. При взаимодействии света с веществом пробы на ее поверхности за счет высокой температуры выжигается кратер диаметром и глубиной 10-200 мкм. Вещество из кратера испаряется, частично превращается в плазму, состоящую из ионов и электронов, и попадает в пространство между электродами, где происходит искровой разряд, который дополнительно возбуждает атомы и ионы вещества, испарившиеся из кратера. Искровые эмиссионные спектры регистрируют на спектрографе, так же как и при обычном спектральном анализе.

Лазерный микроанализ наиболее целесообразно применять для исследования отдельных слоев в образцах многослойной живописи или в тех случаях, когда проба очень мала (меньше 0,1 мг) и состоит из отдельных крупинок, а также для определения состава отдельных минеральных компонентов, когда они представлены в красочном слое или в грунте в виде крупных зерен. Преимуществом лазерного анализа является также то, что он не требует предварительной специальной обработки пробы, так как световой импульс лазера испаряет практически все вещества, используемые в живописи.

При взаимодействии лазерного луча с поверхностью микропробы происходит сильный локальный разогрев образца. Наблюдая под микроскопом форму кратеров и изменение оптических свойств вещества под действием локального нагрева в кратере, можно получить дополнительную информацию о составе красочного слоя и грунта. Например, если образец настенной живописи не содержит органических связующих, то лазерные импульсы даже небольшой мощности (1,5-1,7кВ) выжигают очень большие кратеры неправильной формы диаметром 200-300 мкм; если же образец содержит органическое связующее, то при той же мощности возникают круглые кратеры диаметром 50-70 мкм. Оксиды Fe и Мn под действием лазерного импульса часто восстанавливаются до металла. Глинистые минералы, содержащие Fe, мало меняются в цвете.

Качественный анализ. В обоих вариантах качественный анализ проводят по характерному для каждого элемента набору линий в эмиссионном спектре, идентифицируя, однако, элементы не по всему набору линий данного элемента в спектре, а по так называемым последним, наиболее интенсивным линиям, которые последними исчезают при последовательном уменьшении концентрации данного элемента.

Чтобы облегчить определение длин волн отдельных линий в спектре, на фотопластинке вместе со спектром пробы регистрируют спектр эталонного железа, имеющего интенсивные спектральные линии в ультрафиолетовой и видимой областях. Положение линий определяемых элементов устанавливают с помощью таблиц и атласов дуговых и искровых спектров, в которых последние, а также другие, менее интенсивные линии элементов даны на фоне спектра железа.

В тех случаях, когда последние линии определяемых элементов перекрываются линиями других элементов, определение приходится вести по другим, менее интенсивным линиям, что уменьшает чувствительность спектрального анализа для этих элементов. Например, идентификации примесей Мn и Сr в земляных пигментах мешает присутствие значительных количеств Fe.

В лазерном микроанализе чувствительность метода уменьшается в слабо поглощающих свет лазера и тугоплавких материалах (например, в стеклах). В образцах, где отдельные частицы слабо связаны друг с другом и с подложкой, под действием лазерного импульса они могут разлететься без образования плазмы.

Качественный анализ отдельных слоев многослойной живописи с помощью лазерного микроанализа можно успешно проводить, если их толщина не меньше 20 мкм. Это связано с тем, что при плотностях вещества, характерных для красочного слоя или грунта, в пробе необходимо выжечь кратер с диаметром не меньше чем 20 мкм, так как при меньших кратерах испарившегося и ионизированного вещества недостаточно, чтобы вызвать искровой разряд между электродами. Для получения спектров хорошего качества необходимо пятьдесять таких кратеров. Для образцов многослойной живописи с толщиной меньше 20 мкм также можно проводить локальный элементный микроанализ отдельных слоев, если предварительно разрушить красочный слои или грунт и отобрать с помощью стереомикроскопа отдельные крупинки вещества из каждого слоя и наклеить их на предметное стекло.

Количественный анализ. Исследование проводят, сравнивая измеренную на микрофотометре интенсивность почернения линий данного элемента в пробе и эталонах. Интенсивность линий определяется не только содержанием элемента в пробе, но и химическим составом и размерами частиц в пробе, температурой испарения пробы, условиями разряда. Чтобы успешно проводить количественный элементный анализ, применяют ряд методических приемов, позволяющих исключить влияние на интенсивность линий всех факторов, кроме концентрации элемента в пробе. Для этого на одной фотопластинке регистрируют спектры пробы и нескольких (обычно не меньше трех) эталонов, содержащих определяемый элемент в точно известных концентрациях. Кроме того, целесообразно измерять не абсолютное почернение, а отношение почернения линии анализируемого и дополнительного элементов, которые вводят в образец и эталоны в определенных количествах. Линии дополнительного и анализируемого элементов должны быть близки в спектре. Эти элементы образуют аналитическую пару, для которой измеряют почернение в эталонах различной концентрации и строят по этим данным градуировочный график. Измерив почернение для той же аналитической пары в пробе, вычисляют их отношение и по градуировочному графику определяют содержание элемента в пробе.

Для уменьшения влияния химического состава пробы на точность количественного анализа, необходимо, чтобы пробы и эталоны были как можно ближе по составу. Для различных образцов красочного слоя очень трудно подобрать подходящие эталоны, так как минеральные пигменты могут включать до нескольких десятков минералов с разнообразным химическим составом. Поэтому количественный спектральный анализ микропроб живописи весьма труден.

При обычном спектральном анализе для уменьшения влияния химического состава пробу и эталон смешивают с избытком стабилизатора с высокой температурой испарения, в качестве которого используют порошок особо чистого графита. Это позволяет поддерживать высокую постоянную температуру разряда. С этой же целью пробы и эталоны предварительно растворяют в вытяжном шкафу в концентрированных минеральных кислотах — серной, азотной, плавиковой, хлорной и других — и переводят все элементы в форму солей одной и той же кислоты, тем самым стандартизируя химический состав различных проб и эталонов. Раствор смешивают с порошком графита и выпаривают, в результате чего соли из раствора сорбируются на поверхности частиц графита.

Чтобы уменьшить зависимость почернения линий от условий разряда и температуры испарения пробы, а также обеспечить более полное сгорание ее частиц целесообразно вместо обычного штатива с электродами применять автоматическое устройство АИ-3, в котором предварительно подготовленная проба с графитовым порошком с помощью специального транспортера равномерно подается в межэлектродное пространство, где генерируется электрическая дуга с силой тока свыше 30 ампер, а частицы пробы, распыляемые потоком воздуха, не касаются электродов. Это обеспечивает стабильность разряда и полное сгорание мелкодисперсных частиц в электрической дуге, увеличивает точность и воспроизводимость результатов при количественном спектральном анализе. Эти же приемы полезно применять для увеличения чувствительности качественного анализа.

Так как при лазерном микроанализе очень трудна проблема эталонов, количественный лазерный спектральный анализ для исследования микропроб живописи применяется редко.

Создание экспресс-метода анализа показателей качества на основе многомерного анализа спектральных данных: 1. Бензиновые фракции

Создание экспресс-метода анализа показателей качества на основе многомерного анализа спектральных данных:

1. Бензиновые фракции

Дается краткое описание методики построения модели системы «бензиновая фракция» методом многомерного анализа. Исходными данными являлись данные спектроскопии в ближней инфракрасной области. Данная модель использовалась для создания экспресс-метода анализа показателей качества бензиновых фракций. Полученный метод может быть рекомендован для внедрения в практику лабораторного анализа на нефтеперерабатывающих заводах для снижения временных и финансовых затрат.

Развитие современных технологий и внедрение их в производство требует все более совершенных систем контроля, как параметров самих технологических процессов, так и производимой продукции.

Пути контроля качества могут быть различными. Прежде всего, выделяют физические и физико-химические методы анализа. За прошедшие 50-100 лет большое распространение получили последние, обладающие неоспоримыми преимуществами по скорости и возможности автоматизации. Зачастую более точный химический анализ уступает место физико-химическому, поскольку не удовлетворяет требованиям по экспрессности определения необходимых показателей.

Одним из наиболее современных и перспективных методов анализа является спектральный метод. Информативность и быстрота получения результатов позволяет надеяться на его внедрение в лабораторную практику на производственных предприятиях. В то же время, остаётся ряд нерешенных проблем, связанных с необходимостью анализа сложных, многокомпонентных смесей [1].

Одним из методов «расшифровки» спектров смесей, состоящих из сотен, тысяч и десятков тысяч компонентов, с целью предсказания состава и показателей качества является метод многомерного анализа данных (Multivariate Data Analysis) – MDA.

Совмещение физически обоснованного и многократно проверенного метода инфракрасной (ИК) спектроскопии с современным методом анализа многомерных данных представляется авторам перспективным при исследовании продуктов нефтепереработки и нефтехимии – сложных многокомпонентных систем, состоящих (преимущественно) из углеводородов и их производных. Результатом использования вышеназванного метода при анализе спектров различных продуктов нефтепереработки и нефтехимии могут быть модели этих систем, пригодные для использования в качестве базы для экспресс-методик спектрального анализа их показателей качества.

Внедрение этих методик способно многократно сократить время единичного измерения и повысить чёткость контроля оператора над технологическим процессом в целом. Сокращение производства бракованной и низкокачественно продукции является финансовым стимулом для внедрения вышеназванных методов.

Анализ многомерных данных (MDA) — это современный подход к моделированию многомерных (многофакторных) процессов и явлений, основанный на применении проекционных математических методов, позволяющих выделить в больших массивах данных скрытые (латентные) переменные и анализировать связи, существующие в изучаемой системе [2]. Подобный подход известен также под названием хемометрика (chemometrics). Реже используется термин «хемометрия». MDA подход применяется в целом ряде областей: от аналитической химии до анализа изображений.

Основные понятия, которыми оперирует MDA:

X – непосредственно измеряемые переменные (исходный сигнал),

Y – определяемые переменные (свойства системы, которые необходимо найти),

PC (ГК) – Principal Component (главная компонента) – направление наибольшего изменения в пространстве переменных X.

PLS (ПЛС) – Projection on Latent Structures (проекция на латентные структуры) – процесс совместного разложения матрицы X и Y с целью отыскания оптимальных регрессионных соотношений для декомпозиции и последующего предсказания.

Для более подробного ознакомления с хемометрической идеологией и её математическим воплощением авторы рекомендуют литературу [2, 3]. К сожалению, русскоязычные издания редки и неполны. Для полного понимания сути MDA необходимы элементарные представления о матричном анализе.

На первом этапе была проведена оцифровка 555 спектров различных бензиновых фракций, измеренных с помощью БИК-анализатора ФТ-10 фирмы Lumex, и перевод их в матричный формат.

Затем, используя пакет MATLAB компании MathWork, написан ряд алгоритмов, необходимых для проведения дальнейшего анализа. К этим алгоритмам относятся: метод регрессии на главные компоненты (PCR – Principal Component Regression), метод проекции на латентные структуры (PLS), алгоритм предсказания определяемых свойств по заданному спектру, алгоритм поиска ошибки калибровки (SEC – Standard Error of Calibration), алгоритм поиска стандартной ошибки кросс-валидации (SECV – Standard Error of Cross-Validation) , алгоритм поиска стандартной ошибки предсказания (SEP – Standard Error of Prediction) и др.

Стандартная ошибка кросс-валидации (SECV) представляет собой величину, характеризующую предсказательную способность калибровки. Процедура кросс-валидации (перекрестной проверки) заключается в поочередном «выбрасывании» (удалении) одного образца из градуировочной модели и расчете градуировки без этого выброшенного образца с последующим предсказанием его свойств. Расчётная формула:

где – число анализируемых образцов, – результат анализа определяемого показателя качества для i-го образца стандартными методами; – результат предсказания значения определяемого показателя качества для i-го образца по градуировке, построенной без его участия.

Важнейшим вопросом многомерного анализа является вопрос о количестве главных компонент, необходимых для наиболее точного предсказания свойств объектов, не входящих в калибровочную модель. Увеличение количества главных компонент на первом этапе ведёт к уменьшению как величины SEC, так и SECV. При дальнейшем росте числа ГК величина SEC продолжает падать (вплоть до нуля при бесконечно большом числе ГК), а SECV начинает расти. Оптимальным считается число ГК, при котором SECV минимальна. В работе это число составляло от 5 до 9, что соответствует данным, приводимым в литературе по хемометрическому подходу к анализу бензина [4].

На рис. 1 представлена зависимость стандартной ошибки кросс-валидации от числа главных компонент, используемых при разложении, на примере плотности – одного из определяемых свойств. Локальный минимум достигается при 6 ГК.

Рисунок 1. Изменение ошибки кросс-валидации при росте числа главных компонент (на примере анализа плотности)

В результате проведенного анализа показана возможность применения положений MDA к анализу ИК-спектров бензиновых фракций различных процессов. Найдены оптимальные параметры калибровки, и построена модель системы «бензиновая фракция».

Используя полученную модель, создана методика быстрого анализа качества бензиновых фракций на основе спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне, применимая как в процессе получения компонентов товарного бензина, так и при их смешении. Время измерения всех необходимых свойств сокращено с часов до минут при малой стоимости единичного измерения. Кроме того, для использования полученного метода нет необходимости привлекать высококвалифицированных сотрудников.

Использование созданного метода позволит проводить определение показателей качества бензиновых фракций на заводе с периодичностью раз в час, а не раз в сутки как это имеет место сейчас.

1. Заидель спектрального анализа. – М., 1965.

2. Jackson J. E. A User’s Guide to Principal Components. John Wiley and Sons, 1991.

3. Esbensen K. H., Schönkopf S., Midtgaard T. Multivariate Analysis in Practice. Trondheim: Camo, 1994.

4. Bohács Gy., Ovádi Z., Salgó A. // J. Near Infrared Spectrosc. No 6. 1998. Р. 341-348.

Лекция 5. Спектральные анализаторы

Основы спектрального анализа. Классификация и область применения анализаторов. Масс-спектрометры. Принцип действия, устройство, метрологические характеристики.

Спектральный анализ – это совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно, но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.

В 1859 году Г. Кирхгоф и Р. Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава. Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а в 1861 году — рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно). Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов.

Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000 — 10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

В последнее время, наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре.

Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки.

Масс-спектрометрический анализ газов открыт в 1913 г. английским физиком Д.Д. Томсоном. Принцип действия анализатора основан на зависимости радиуса траектории полета иона в магнитном поле от его атомной массы или массового числа Mi( Mi = М/е). Атомная масса у каждого элемента – величина индивидуальная и приводится в таблице Д.И. Менделеева. Таким образом, данный анализатор способен идентифицировать любые вещества в смеси газов и широко применяется для контроля выбросов в атмосферу и при анализе состава металлов.

Устройство: анализатор состоит из ионизационной камеры, находящейся под высоким напряжением U и камеры анализатора, находящейся в магнитном поле напряженностью Н (рис.16).

Рис.16. Принципиальная схема статического масс-спектрометра

1 –ионизационная камера; 2 –камера анализатора, находящаяся в магнитном поле; 3 –коллектор; 4 –входное сопротивление; 5 –измерительный прибор.

В ионизационной камере поток анализируемая смесь газов подвергается ионизации тепловыми электронами e — . Полученный поток ионов направляется в камеру анализатора, находящуюся в магнитном поле и при высоком вакууме, где разделяется на отдельные компоненты с соответствующей массовому числу траекторией полета ( радиусами траекторий r1, r2, . ri). При попадании ионизированной частицы на коллектор возникает ионизационный ток, величина которого определяется концентрацией данного компонента в газовой смеси.

Уравнение (модель) измерения получаем из двух уравнений: уравнения равновесия действующих на летящий ион сил и уравнения закона сохранения энергии. Уравнение действующих на пролетный ион сил (центробежной и силы воздействия магнитного поля):

Подставив уравнение (10) в (8), получим:

Уравнение (11) показывает, что радиус траектории полета частицы в камере анализатора зависит от атомной массы вещества m, а также от напряженности магнитного поля H и напряжения электрического поля в ионизационной камере U.

Метрологические характеристики масс-спектрометрического анализатора:

– Диапазон масс (ДМ) – это интервал атомных масс (массовых чисел), в пределах которого осуществляется анализ вещества. ДМ зависит от пределов регулирования напряжения ионизатора U и напряженности магнитного поля камеры анализатора Н;

– Предел разрешения – это минимальное изменение значения массового числа ΔМ, при котором ещё возможно различить линии масс-спектра;

– Разрешающая способность К – величина , обратная пределу разрешения: К = М/ ΔМ,

Например, если на данном спектрометре различимы линии спектра

для компонентов, отличающихся друг от друга на 1/3000 атомной массы, то его К = 3000. Большинство анализаторов имеют 50 100.

В зависимости от устройства масс – спектрометры классифи цируются на :

– с разделением в однородном магнитном поле;

– с разделением в неоднородном магнитном поле;

– время-пролетные масс-спектрометры [2];

К спектральным анализаторам относятся также рентгено-флуоресцентные анализаторы (РФА), в основе которых один из самых объективных и адекватных методов исследования состава вещества, поскольку является прямым. Изучаемый объект подвергается возбуждающему воздействию. Это может быть поток электронов, протонов, рентгеновского или гамма-излучения с энергией, достаточной для того, чтобы перевести атомы образца в возбужденное состояние. Энергия возбуждения такова, что при переходе атомов в основное состояние возникает флуоресценция в рентгеновском диапазоне. Спектральный состав этого излучения однозначно соответствует элементному составу объекта. Аппараты для спектрального анализа (спектрометры) тем или иным способом раскладывают флуоресцентное излучение в спектр, который исследуется и анализируется с помощью методико-математического аппарата. Физические основы метода разработаны в первой половине 20-го века. В процессе развития теории и практики метода РФА области его применения охватили практически все стороны человеческой деятельности: науку, технику, сельское хозяйство. Он нужен везде, где требуется быстро и точно определить химический состав вещества. Немаловажно и то, что объект не страдает от воздействия рентгеновского излучения, что сделало незаменимым применение метода в искусствоведении, криминалистике, экспертизе. Однако, несмотря на высокую востребованность метода РФА, его применение долгое время оставалось доступным только лабораториям крупных и богатых предприятий и университетов. Дело в том, что практически до конца прошлого века развитие аппаратной базы РФА шло по пути наращивания мощности источника возбуждения спектра: рентгеновской трубки, радиоактивного изотопа, линейного ускорителя, синхротрона. К примеру, вес только высоковольтного источника питания рентгеновской трубки мощностью несколько тысяч Ватт (типичная мощность для подобных приборов) составляла десятки и сотни килограммов. Столь мощный рентгеновский поток требовал надежной биологической защиты, выделяемое тепло надо было отводить с помощью водяного охлаждения. Таким образом, спектрометр представлял собой громоздкий агрегат, потребляющий много энергии и требующий отдельного помещения, а также квалифицированного персонала для эксплуатации и для технического обслуживания. Цена такого прибора достигала многих сотен тысяч долларов, что при высоких эксплуатационных расходах делало прибор недоступным для лабораторий малых и средних предприятий. К тому же из-за сложности и дороговизны число выпускаемых приборов было недостаточно для удовлетворения спроса. В основу нового подхода положены теоретические и экспериментальные работы К. Анисовича и сотрудников [4]. Работы посвящены расчёту светосилы и энергетического разрешения для основных схем кристалл-дифракционных спектрометров. Общая светосила спектрометров, выполненных по оптимизированной рентгенооптической схеме (так называемая светосильная схема), на 2 – 3 порядка превышает общую светосилу традиционных спектрометров. Спектрометр, построенный по новой схеме, имел мощность на рентгеновской трубке всего 3…4 Вт. Первые аппараты СПЕКТРОСКАН разработаны и освоены в производстве в 1990–91 годах. В отличие от спектрометров широкого назначения, анализатор создается и аттестуется в органах Росстандарта, как средство измерения конкретного продукта. За более чем 20 лет успешной работы выпущено и введено в эксплуатацию и прекрасно работают несколько тысяч различных моделей спектрометров и анализаторов серии «СПЕКТРОСКАН». Разработаны более 50 методик выполнения измерений.

Рис. 17. Внешний вид РФА – анализатора «СПЕКТРОСКАН МАКС-GV»

Рентгенофлуоресцентный метод обладает следующими преимуществами:

– универсальностью, что позволяет анализировать любые вещества (твердые, жидкие, порошкообразные, осажденные на фильтры);

– экспрессностью, (время одного элементоопределения от 10 секунд);

– широким диапазоном (из одного образца определяются содержания всех интересующих элементов от 11 Na до 92 U);

– простотой подготовки проб;

– широким динамическим диапазоном определяемых содержаний;

– неразрушаемостью проанализированного образца;

– автоматическое устройство загрузки проб на 10 образцов;

– практически полным отсутствием расходных материалов при эксплуатации оборудования.

Рис. 18. Рентгено-оптическая схема спектрометра РФА:

1 – исследуемый образец; 2 – окно вакуумной камеры; 3 – рентгеновская трубка; 4 – приемная (выходная) щель; 5 – блок детектирования; 6 – кристалл-анализатор; 7 – входная щель.

Рентгенофлуоресцентный метод (РФА) широко применяется в аналитических лабораториях для неразрушающего и экспрессного анализа металлов и сплавов различного состава. Наиболее типичные области применения РФА в обогащении полезных ископаемых и металлургии. Это входной контроль материалов, подтверждение марок сплавов, анализ сплавов драгоценных металлов и изделий из них.

Дата добавления: 2020-01-03 ; просмотров: 1925 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Датчики на основе спектрального анализа способны изменить подход к производству?

СОСТАВЛЕНЫ Специализированным центром научно-технический информации по эксплуатации энергосистем ОРГРЭС

Автор инж. Д.Э.Кан

Редактор канд. техн. наук А.Г.Комаровский

УТВЕРЖДЕНЫ Главным инженером Главэнергоремонта П.Орешкиным, Главным инженером Главного технического управления по эксплуатации энергосистем С.Молокановым

Методические указания предназначены для монтажного, ремонтного и эксплуатационного персонала, осуществляющих организацию и производство работ по монтажу и ремонту оборудования, а также контроль и наблюдение за металлом трубопроводов, котлов и турбин на тепловых электрических станциях.

Методические указания разработаны на основе опыта работы производственного предприятия «Мосэнергоремонт».

С выходом Методических указаний отменяется «Временная инструкция по спектральному анализу металла деталей энергетических установок с помощью стилоскопа», выпущенная БТИ ОРГРЭС в 1962 г.

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения надежной работы энергетических установок с высокими параметрами пара их детали и узлы изготавливаются из жаропрочной и жаростойкой стали.

Случайная замена материала изделий при монтаже и ремонте оборудования, не предусмотренная проектом, может привести к выходу из строя установки или к тяжелым авариям. Для предотвращения аварий производится спектральный анализ металла с помощью стилоскопа, позволяющий на месте, без повреждения деталей приближенно оценивать процентное содержание в стали* ванадия, хрома, молибдена, никеля, титана, вольфрама, марганца, ниобия, кобальта, кремния. Продолжительность анализа для определения марки стали — 2-3 мин.
_________________
* Возможен также анализ цветных сплавов.

На необходимость спектрального анализа посредством стилоскопа для контроля металла при монтаже и ремонте энергетического оборудования указано в правилах Госгортехнадзора и соответствующих руководящих материалах Министерства энергетики и электрификации СССР.

Настоящие методические указания определяют условия и порядок ведения работ с помощью стилоскопа при анализе металла деталей и узлов энергетического оборудования.

I. ПОНЯТИЕ О ВИЗУАЛЬНОМ СПЕКТРАЛЬНОМ АНАЛИЗЕ И АППАРАТУРЕ

Всякое вещество, приведенное в состояние светящихся паров, дает излучение, характерное для его атомного строения, которое слагается из общего излучения атомов всех элементов, входящих в состав данного вещества.

Для определения химического состава вещества методом спектрального анализа требуется выделение излучения атомов каждого элемента, т.е. отделение друг от друга световых лучей с разными длинами волн.

Разложение света по длинам волн осуществляется с помощью оптических приборов: стилоскопов и спектрографов. При этом излучение наблюдается в виде спектра, представляющего совокупность большого количества светящихся ярких линий.

Спектр является характеристикой исследуемого материала, позволяющей по наличию соответствующих спектральных линий судить о составе излучающих паров.

Для возбуждения спектра обычно применяются искровые и дуговые источники света, которые входят в комплект стилоскопической установки.

Электрическая схема генераторов стилоскопических установок позволяет получать электрическую дугу или низковольтную искру, удовлетворяющую условиям проведения анализов. Питание генератора осуществляется через разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого заземляется.

Принцип действия стилоскопической установки — создание электрического разряда между анализируемым объектом (являющимся одним из электродов) и постоянным электродом прибора, приводит к парообразованию вещества электродов и заполнению межэлектродного промежутка светящимися парами. Излучение светящегося пара направляется через узкую щель прибора в оптическую систему, где происходит разложение света и образование линейчатого спектра. Полученный спектр представляет собой ряд световых проекций щели, каждая из которых соответствует определенной длине волны.

Наличие в спектре характерных линий искомых элементов указывает на присутствие данных элементов в анализируемом металле.

Сравнение относительной интенсивности спектральных линий искомых элементов с линиями основы дает возможность приближенной оценки содержания в металле элементов.

Таким образом, с помощью стилоскопа производится качественный и полуколичественный анализ стали, позволяющий определить наличие и приближенно оценить количество легирующих элементов в стали. Сопоставление полученных результатов с химическим составом проектной марки стали позволяет оценить соответствие металла исследуемой детали требованиям проекта. Химический состав наиболее распространенных сталей и присадочных материалов для сварки, применяемых в котлотурбостроении, приведен в приложении I.

В настоящее время промышленность выпускает два типа стилоскопов: стационарный СЛ-11 с горизонтальным расположением деталей и переносный СЛП-2, в котором детали смонтированы в вертикальной плоскости. Применяется также много приборов прежних выпусков: CЛ-1, СЛ-3, СЛ-10, СЛП-1 и др.

Стационарные стилоскопы используются для проведения спектрального анализа мелких деталей, переносные стилоскопы — для контроля крупногабаритных изделий и деталей на смонтированном оборудовании, доставка которых к стационарному стилоскопу невозможна.

Распространены две оптические схемы устройства стилоскопов: автоколлимационная (стилоскопы СЛ-10, СЛ-11 и СЛП-2) и схема постоянного отклонения (стилоскопы СЛ-1, СЛ-3 и др.).

Для приборов, построенных по автоколлимационной схеме, характерно двойное прохождение луча через две диспергирующие призмы: неподвижную шестидесятиградусную и поворотную тридцатиградусную с посеребренной гранью большого катета (рис.1). При этом ахроматический объектив выполняет роль и объектива зрительной трубы.

Рис.1. Оптическая схема стилоскопа СЛП-2

Рис.1. Оптическая схема стилоскопа СЛП-2:

2 — диспергирующая призма; 3 — объектив; 4 — призма; 5 — оптическая щель; 6 — конденсор; 7 — призма;
8 — защитное стекло; 9 — постоянный электрод; 10 — анализируемый объект; 11 — упорные контакты

В схеме постоянного отклонения обязательны два объектива и диспергирующая система, состоящая из трех шестидесятиградусных призм.

Автоколлимационные стилоскопы благодаря минимальному количеству оптических деталей компактны, имеют небольшой вес и хорошо разделяют линии с близкими длинами волн. Введение в поле зрения окуляра анализируемого участка спектра проводится поворотом диспергирующей призмы относительно неподвижно закрепленного окуляра. При этом происходит перефокусировка объектива с сохранением резкости спектра, что значительно облегчает условия его рассмотрения.

II. ПОДГОТОВКА ИЗДЕЛИЙ И СТАНДАРТНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ К АНАЛИЗУ

1. Для проведения анализа на изделии (образце) выбирается по возможности плоский, гладкий участок и на нем зачищается площадка размером 2х2 см. Окалина, антикоррозионные покрытия, следы краски, всевозможные поверхностные загрязнения, а также поры, шлаковые включения, трещины, раковины, шероховатости и прочие пороки на поверхности анализируемого образца удаляются зачисткой абразивным кругом. Так как существует возможность загрязнения анализируемого изделия (образца) материалом круга, особенно при определении кремния и титана, окончательная обработка поверхности аналитической площадки производится напильником. Если изделие подвергалось обработке, вызвавшей изменение химического состава в поверхностном слое (химико-термическая обработка, травление и др.), то такой слой также обязательно снимается.

При работе с переносным стилоскопом на изделии готовится вторая площадка размером

1 см на расстоянии 8 см от первой, служащая опорой для вольфрамовых контактов стилоскопа, с помощью которых производится присоединение анализируемого объекта к заземляющему проводу прибора. Зачистка опорной площадки ограничивается удалением загрязнений и окалины.

Для отбора проб с помощью ударно-искрового пробоотборника на изделии подготавливается одна площадка размером 3х3 см.

2. Масса анализируемого изделия во всех случаях должна быть не менее 50 г, иначе может произойти усиленное поступление пробы в плазму разряда, что приведет к преувеличенному представлению о содержании элементов в анализируемом изделии (образце).

Мелкие детали, стружка и прочие объекты малой массы допускаются к анализу при условии приготовления из них специальных образцов.

Сварочная проволока или проволока другого назначения собирается в пакеты, имеющие форму стержня длиной 40-50 мм. Такие пакеты приготовляются из каждой бухты (мотка) или катушки. Пакет закрепляется обвязкой из анализируемой проволоки или с помощью хомутов. Количество проволоки, входящей в пакет, определяется ее диаметром: так, при диаметре 1-1,5 мм берется пять отрезков проволоки, при диаметре 0,8-1 мм — семь и т.д.

Стружка прессуется в брикет диаметром порядка 15 мм при длине 50 мм. Брикеты готовятся на механических прессах различного типа или путем уплотнения в формах с помощью кувалды.

Для анализа сварочных электродов образцы приготовляются из наплавленного металла. Наплавка производится на пластины из малоуглеродистой стали (Сталь 20, Ст.2, Ст.3), предварительно проверенные стилоскопом на отсутствие легирующих элементов. Каждая наплавка выполняется одним электродом на отдельную пластину, толщина которой при диаметре электрода до 2 мм должна быть не менее 3 мм и при диаметре электрода свыше 2 мм — не менее 6 мм. Форма наплавки круглая в виде цилиндра, высота и основание которого не менее четырех диаметров проверяемого электрода. Анализ производится по верхней площадке. В каждой партии анализируется три электрода, взятых из разных пачек (замесов), вне зависимости от количества замесов, составляющих партию.

3. Постоянные электроды стилоскопа перед началом работы должны иметь следующие размеры:

1) электроды дисковой формы — диаметр 60 мм для переносных стилоскопов и 90 мм для стационарных, толщину 1,0-1,5 мм;

2) электроды стержневой формы — диаметр 8-10 мм, длину 220-250 мм. Торцы стержневых электродов затачиваются на токарном станке на конус с углом при вершине 60°; острие конуса притупляется до площадки диаметром 2 мм или округляется на полусферу радиусом 2-3 мм.

При массовых анализах следует применять дисковые электроды. Использованную часть электродов рекомендуется срезать на токарном станке, а оставшиеся электроды применяются по назначению. Перед каждым анализом постоянные электроды должны зачищаться. При заточке электродов допускается уменьшение диаметра диска до 40 мм и длины стержня до 130 мм с выполнением указанного выше профиля заточки, так как использование электродов с различной заточкой вносит ошибки в спектроскопические оценки. Для заточки электродов и изделий должны применяться специальные заточные станки, напильники и наждачная бумага.

Чтобы избежать переноса вещества от предыдущей анализируемой пробы на последующую, инструмент, используемый для зачистки, должен очищаться после каждого его применения.

III. ОРГАНИЗАЦИЯ И ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТ ПО СПЕКТРАЛЬНОМУ АНАЛИЗУ

1. В соответствии с инструкциями по наблюдению за металлом котлов, трубопроводов и турбин обязательному спектральному анализу с помощью стилоскопа подлежат все вновь устанавливаемые детали энергетического оборудования, независимо от наличия сертификата, маркировки и предстоящего срока эксплуатации, предназначенные для работы при температуре выше 450 °С, а также все детали и материалы, которые по проекту должны быть выполнены из легированной стали (приложение II).

Организация, производящая работы по спектральному анализу, несет ответственность за правильность выполнения анализа и качество технической документации по нему.

2. Результаты анализов оформляются протоколами (приложение III) составляемыми в трех экземплярах: один экземпляр хранится в организации, производящей анализ, а два другие выдаются заказчику.

В протоколе подробно, с указанием наименования детали, в соответствии с чертежом перечисляются все прошедшие проверку детали, присадочные материалы, сварные швы и т.д.

Анализ на смонтированном паропроводе проводится по схеме паропровода в соответствии с нумерацией сварных стыков (рис.2). Запись результатов анализов ведется согласно номера сварных стыков, ограничивающих место анализа: например, участок трубы между стыками «69-70» обозначается «труба 69-70», задвижка между стыками «65-66» — «задвижка 65-66» и т.д., а металл сварных швов непосредственно номером стыка. Протоколы без приложения схем недействительны.

Рис.2. Схема паропровода

Рис.2. Схема паропровода:

сварной стык;

задвижка;

тройник;

расходомерная шайба;

65-77 — сварные стыки

Если при контроле крепежа на установленной по месту постоянной работы арматуры или фланцевых соединений обнаружено несоответствие стали проектной марки, то составляется эскиз (рис.3) с расстановкой и нумерацией крепежа, который прилагается к протоколу. Запись результатов контроля крепежа ведется в протоколе согласно принятой на эскизе нумерации.

Рис.3. Схема расположения гаек и шпилек

Рис.3. Схема расположения гаек и шпилек:

1-12 — порядок расположения гаек и шпилек

3. Детали, присадочные материалы и сварные швы, металл которых не соответствует проектным маркам, подлежат изъятию и замене, о чем составляется акт, который может служить основанием для предъявления станцией рекламации заводу.

Если при контроле металла сварных швов выявлен хотя бы один шов, металл которого не соответствует проектному, контролю подлежат все однотипные швы (100%), выполненные данным сварщиком на проверяемом оборудовании.

4. Все проверенные детали котлов и трубопроводов, не имеющие заводскую маркировку, анализ которых производится до установки на агрегате, подвергаются маркировке — окраске или клеймению. Детали турбин маркировке не подлежат.

Трубы паропроводов, питательных линий, их байпасы и дренажи, трубы повepxнocтeй нагрева, змеевики, панели, коллекторы и т.п. окрашиваются по наружной поверхности в соответствии с цветной маркировкой по МРТУ 2402-65, приведенной ниже.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АТОМНО-ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ НА ПЗС-ЛИНЕЙКАХ И ФЭУ

Марцуков А.А. 1 , Мамедов Р.К. 2

1 ORCID: 0000-0003-4943-3109, Аспирант, 2 ORCID: 0000-0002-8640-9581, доктор технических наук, доцент, Университет ИТМО

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АТОМНО-ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ НА ПЗС-ЛИНЕЙКАХ И ФЭУ

Аннотация

В статье приводятся результаты сравнительных исследований спектроаналитических характеристик и метрологических параметров спектральных измерений металлов и сплавов, выполненных на атомно-эмиссионных многоканальных спектроанализаторах, использующих в качестве приёмников оптического излучения фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и позиционно-чувствительные детекторы (ПЗС-линейки). Также в статье делаются выводы о предпочтительности использования спектроаналитических приборов с определённым типом приёмников оптического излучения, называются причины этого выбора.

Ключевые слова: атомно-эмиссионный спектральный анализ, фотоэлектронный умножитель, ФЭУ, методика спектрального анализа, позиционно-чувствительный детектор, ПЗС-линейки.

Martsukov A.A. 1 , Mamedov R.K. 2

1 ORCID: 0000-0003-4943-3109, Postgraduate student, 2 ORCID: 0000-0002-8640-9581, PhD in Engineering, Assosiate professor, ITMO University

Каждый электрик должен знать:  Замена люминесцентных ламп на светодиодные в люстре (2G11)

COMPARATIVE ANALYSIS OF METROLOGICAL PARAMETERS AND OPERATING CHARACTERISTICS OF ATOMIC AND EMISSION SPECTROMETERS ON PSD AND PEM LINES

Abstract

The article presents the results of comparative studies of spectro-analytical characteristics and metrological parameters of metals and alloys spectral measurements performed on atomic and emission multichannel spectro-analysers that use photo-electronic multipliers (PEM) and position-sensitive detectors (PSD) as optical receivers. The author of the article comes to the conclusion that the use of spectro-analytical devices with a certain type of optical radiation receivers is more preferable. Reasons for this choice are provided.

Keywords: atomic and emission spectral analysis, photoelectric multiplier, PEM, spectral analysis technique, position-sensitive detector, PSD.

В практике атомно-эмиссионного спектрального (АЭС) анализа широко используются приборы базирующиеся как на ФЭУ, так и на ПЗС-линейках. Между тем до настоящего времени отсутствовала информация о сравнительных исследованиях метрологических характеристик и аналитических возможностей АЭС-приборов с разными приёмниками излучения. Такая информация, по нашему мнению, позволила бы более оптимально, а, следовательно, и более эффективно использовать спектроанализаторы применительно к решению конкретных спектроаналитических задач [1,2].

В этой связи нами были выполнен комплекс исследований, позволивший получить необходимую информацию. Первоочерёдно нами были проведены сравнительные исследования погрешностей результатов измерений атомно-эмиссионными спектральными приборами на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и позиционно-чувствительных детекторов (ПЗС-линеек) [3].

Для этих исследований был выбран комплект государственных стандартных образцов (ГСО) на низколегированные стали УГ0е–УГ9е (табл. 1), так как этот комплект ГСО используется для первичной калибровки и поверки АЭС-анализаторов на достоверность измерений [4]. Следует отметить, что в сталях основным компонентом сплава является железо и его содержание, в зависимости от марки, может достигать 90% и выше. Остальные же химические элементы – легирующие – добавляются в сплав для придания ему требуемых свойств (жаропрочность, коррозионная стойкость, твёрдость, гибкость, магнитная проницаемость и т. д.). По-этому, при любом анализе химического состава сплава главной задачей является обнаружение именно этих химических элементов. Концентрация основного компонента, как правило, в результатах анализа химического состава не указывается.

Таблица 1 – Паспорт ГСО комплекта УГ0е-УГ9е

Из полного комплекта ГСО нами был отобран стандартный образец УГ8е, так как в нём присутствуют как близкие к минимальным, так и близкие к максимальным концентрациям химических элементов в выбранном комплекте ГСО. С использованием отобранного образца нами были выполнены исследования сходимости и воспроизводимости измерений, а также среднеквадратическое, абсолютное и относительное отклонения результатов измерений концентраций химических элементов на вакуумном искровом атомно-эмиссионном квантометре ДФС-51 на базе фотоэлектронных умножителей и на аналогичном приборе марки МСА-II на основе позиционно-чувствительных детекторов оптического излучения [3]. Исследования сходимости и воспроизводимости измерений каждого типа приборов проводились в виде двух разнесённых по времени серий. Для оценки сходимости результатов измерений выбранного ГСО, серия измерений проводилась в течение одного дня. Для оценки воспроизводимости результатов измерений выбранного ГСО проводилась вторая серия измерений в течение следующего дня с целью последующего сопоставления этих результатов с результатами первой серии измерений.

Результаты измерений концентраций химических элементов, входящих в состав ГСО УГ8е, а также зафиксированные значения погрешностей, сведены в табл. 2 – 5.

В представленных таблицах в графе «Значение концентрации» приводится среднее значение концентрации по каждому составному химическому элементу из десяти измерений; в графе «СКО, %» – среднеквадратическое отклонение результатов измерений, выполненных на одном из исследуемых АЭС-приборов в первую или вторую серию исследований; в графе «Абс. откл., %» даны абсолютное, а в графе «Отн. откл., %» – относительное отклонение результатов измерений концентрации каждого составного химического элемента от паспортного значения для каждого из указанных химических элементов в пробе [5].

Графа «Отн. откл., %» является показателем сходимости результатов измерений в рамках одной серии (dсх). Результаты воспроизводимости измерений соответствующие вторым сериям измерений для каждого типа АЭС-анализатора отображены в графе «dв, %» табл. 3 и 5.

Таблица 2 – Концентрации ГСО УГ8е, полученные на АЭС-анализаторах ДФС-51, серия 1

Наибольшее значение среднеквадратического отклонения на спектроанализаторе ДФС-51 в первую серию измерений наблюдалось для меди и составило 5,7800%.

Наибольшее значение абсолютного отклонения на спектроанализаторе ДФС-51 в первую серию измерений наблюдалось для алюминия и составило 0,1368%.

Наибольшее значение относительного отклонения на спектроанализаторе ДФС-51 в первую серию измерений наблюдалось для вольфрама и составило 1,0856%.

Таблица 3 – Концентрации ГСО УГ8е, полученные на АЭС-анализаторах ДФС-51, серия 2

Наибольшее значение среднеквадратического отклонения на спектроанализаторе ДФС-51 во вторую серию измерений наблюдалось для хрома и составило 3,5400%.

Наибольшее значение абсолютного отклонения на спектроанализаторе ДФС-51 во вторую серию измерений наблюдалось для марганца и составило 0,2000%.

Наибольшее значение относительного отклонения на спектроанализаторе ДФС-51 во вторую серию измерений наблюдалось для углерода и составило 1,1919%.

Таблица 4 – Концентрации ГСО УГ8е, полученные на АЭС-анализаторах МСА-II, серия 1

Наибольшее значение среднеквадратического отклонения на спектроанализаторе МСА-II в первую серию измерений наблюдалось для никеля и составило 2,7100%.

Наибольшее значение абсолютного отклонения на спектроанализаторе МСА-II в первую серию измерений наблюдалось для марганца и составило 0,1803.

Наибольшее значение относительного отклонения на спектроанализаторе МСА-II в первую серию измерений наблюдалось для вольфрама и составило 1,1703%.

Таблица 5 – Концентрации ГСО УГ8е, полученные на АЭС-анализаторах МСА-II , серия 2

Наибольшее значение среднеквадратического отклонения на спектроанализаторе МСА-II во вторую серию измерений наблюдалось для никеля и составило 2,7100%.

Наибольшее значение абсолютного отклонения на спектроанализаторе МСА-II во вторую серию измерений наблюдалось для марганца и составило 0,1790%.

Наибольшее значение относительного отклонения на спектроанализаторе МСА-II во вторую серию измерений наблюдалось для вольфрама и составило 1,1660%.

Для оценки сходимости и воспроизводимости результатов измерений, в табл. 6 в графах «Допустимые значения dсх, %» и «Допустимые значения dв, %» приводятся допустимые по ГОСТ 18895-97 значения сходимости и воспроизводимости для тех концентраций и химических элементов, для которых значения среднеквадратического, абсолютного и относительного отклонений оказались наибольшими. Для удобства сопоставления табл. 2 – 5 и табл. 6, интересующие нас значения выделены жирным шрифтом [5].

Таблица 6 – погрешности, допустимые по ГОСТ 18895-97

Из анализа табл. 2 – 6 следует, что среднеквадратические отклонения измеренных концентраций каждого химического элемента, входящих в состав анализируемого образца, их абсолютные и относительные погрешности и результаты оценки сходимости и воспроизводимости измерений зарегистрированные обоими тестируемыми типами приборов полностью отвечают метрологическим требованиям ГОСТ 18895-97 к приборам такого класса [3,5].

На следующем этапе наших исследования был проведён сравнительный анализ спектроаналитических возможностей АЭС-анализаторов с различными типами приёмников оптического излучения.

Сопоставительный анализ результатов качественного анализа проб, представленных в табл. 1, в сравнении с данными таблиц 2 – 5, указал на отсутствие информации по ниобию (Nb) и олову (Sn) полученных при использовании анализатора ДФС-51 на базе фотоэлектронного умножителя. Это объясняется ограниченным количеством аналитических каналов у данного типа квантометров, что не позволило откалибровать этот прибор на определение ниобия (Nb) и олова (Sn) , а, следовательно, и получить информацию по наличию и отсутствию этих элементов в пробе. Следует отметить, что спектральная линия основного компонента любого сплава является линией сравнения для аналитических линий всех детектируемых химических элементов, входящих в его состав. Поэтому, если требуется откалибровать АЭС-анализатор на несколько сплавов с разным основным компонентом, в квантометрах на основе ФЭУ, для каждого сплава резервируется по одному дополнительному фотоэлектронному умножителю для закрепления за ним своей линии сравнения. Следовательно, количество анализируемых химических элементов в таких случаях уменьшается обратно пропорционально количеству анализируемых типов сплавов.

В то же время квантометры типа МСА-II на основе ПЗС-линеек в качестве приёмников излучения не имееют ограничений по количеству аналитических спектральных каналов и, как следствие, обеспечивают возможность калибровки и последующему получению качественной и количественной информации по всем составным компонентам пробы и, в том числе, по ниобию (Nb) и олову (Sn),

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что анализаторы, базирующиеся на фотокатодных вакуумных трубках, не позволяют в полной мере оценить химический состав анализируемого образца и не оставляют возможностей обнаружения не предусмотренных начальной калибровкой примесных химических элементов, которые могут находиться в материале в количествах, не допустимых как по отраслевым, так и по государственным нормам и стандартам [3,4,5]. При этом использование спектроанализаторов на ПЗС-линейках исключает необходимость подбора при начальной калибровке каждой спектральной линии в отдельности и дает возможность производить калибровку сразу по всему аналитическому диапазону, выбирая при этом любое количество анализируемых элементов.

Анализируя совокупность установленных фактов, можно сделать следующие выводы:

1 – спектроанализаторы основанные как на ФЭУ, так и на ПЗС-линейках по своим метрологическим характеристикам удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 8.563-2009 и ГОСТ 18895-97 [3,5].

2 – приборы, базирующиеся на ФЭУ, имеют ограничения по количеству одновременно анализируемых элементов в пробе, что не позволяет получить информацию о концентрации всех составных химических элементов, указанных в паспорте анализируемого комплекта ГСО, а так же обнаружить неучтённые при начальной калибровке примесные элементы в пробе. При этом использование анализаторов на основе ПЗС-линеек позволяет снять вышеперечисленные ограничения, что является весомым свидетельством их более широких спектроаналитических возможностей.

При этом следует отметить, что каждый из рассмотренных типов приборов может быть эффективно использован в аналитической практике применительно к решению конкретных задач.

Совокупность полученных результатов исследований с учетом постоянно совершенствующейся технологии производства ПЗС-линеек, позволяет признать более перспективными атомно-эмиссионные спектроанализаторы на основе современных приёмников излучения.

Список литературы / References

«Резонансный метод бесконтактного анализа оптических спектров и его техническая реализация для решения задач контроля процессов горения . »

Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННО Е АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖ ДЕНИ Е

ВЫСШ ЕГО ПРОФ ЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУ ДАРСТВ ЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРО КОСМИЧЕСКОГО П РИБОРОСТРО ЕНИЯ»

На правах рукописи

Ваганов Михаил Александрович

Резонансный метод бесконтактного анализа оптических спектров и его техническая реализация для решения задач контроля процессов горения Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник О. Д. Москалец Санкт-Петербург 2014 Содержание Введение 1 Спектральные измерения в оптическом диапазоне для решения задач контроля процессов горения 18

1.1 Оптические методы контроля процессов горения 18 1.1.1 Фотографические методы 1.1.2 Теневые и интерференционные методы 19 1.1.3 Контроль процесса горения путем измерение скорости потока газа 20 1.1.4 Контроль процесса горения путем измерения температуры 21 1.1.5 Спектроскопические методы контроля процессов горения 22

1.2 Принципы получения спектроскопической информации в оптическом диапазоне

1.3 Методы анализа спектра в оптическом диапазоне и основные типы оптических спектральных приборов, выполняющие контактный анализ спектра

1.4 Сравнительный анализ спектральных приборов оптического диапазона

1.5 Оптические спектральные приборы бесконтактного анализа спектра

1.6 Принципы построения спектральных приборов, выполняющих бесконтактный анализ спектра оптического излучения резонансным методом

1.7 Аналитические методы спектрометрии 45

2. Элементы теории линейных систем и теории сигналов в задачах аппаратурного гармонического анализа 53

2.1 Постановка задачи

2.2 Радиооптический подход 56

2.3 Модель анализируемого оптического сигнала 57

2.4 Интеграл суперпозиции для спектрального прибора 61

2.5 Переменные во времени спектры 65

3. Резонансный метод бесконтактного параллельного анализа оптических спектров

3.1Многоканальный резонаторный спектрометр оптического диапазона 72

3.2 Теоретический анализ работы резонаторной системы многоканального спектрометра оптического диапазона 77

3.3 Анализ энергетического спектра оптических сигналов многоканальным резонаторным спектрометром 84 3.3.1 Анализ энергетического спектра оптического сигнала 84 3.3.2 Методы оценки энергетического спектра оптического сигнала 92

3.4 Выводы 4 Результаты экспериментального исследования 97

4.1 Аппаратурная реализация прибора контроля в форме многоканального спектрометра оптического диапазона 97

4.2 Результаты экспериментального исследования лабораторного макета многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона

4.3 Области возможного применения многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона 119 4.3.1 Многоканальный спектрометр для решения задач контроля процессов горения 4.3.2 Многоканальный спектрометр для решения задач контроля технологических процессов

4.4 Выводы Приложение А. Номенклатура интерференционных узкополосных оптических фильтров видимого диапазона, выпускаемых фирмой Omega Optical, Inc Заключение Список использованных источников

Введение

Актуальность темы. Процессы горения, встречающиеся в природе и в технике, весьма многообразны. Они широко используются в различных сферах: в двигателях внутреннего сгорания, ракетных двигателях, на тепловых электростанциях, в военном деле [1]. Методы экспериментального исследования процессов горения создавались в неразрывной связи с развитием теории горения. На различных стадиях развития представлений об этих процессах соотношение между теорией и экспериментом менялось, однако всегда ощущался недостаток экспериментальных данных [2].

Поэтому создание и развитие методов контроля и оптимизации процессов горения является одной из актуальных задач научных и прикладных исследований. Наибольшее распространение в практике нашли оптические методы контроля, отвечающие необходимости изучения быстропротекающих процессов горения. К таковым следует отнести фотографические методы в разных вариантах (скоростная и сверхскоростная фотография), теневые, интерференционные, спектроскопические и методы измерения температуры пламени или скорости потока газа, возникающего при горении [2].

К числу наиболее информативных оптических методов контроля относятся спектроскопические, где прибором контроля является спектрометр, который исследует электромагнитное излучение как сигнал, несущий спектроскопическую информацию об объекте, т.е. о процессе горения. Основные преимущества спектроскопических методов состоят в следующем [2]:

не вносят возмущений в исследуемую среду и не вызывают изменения ее физических и химических свойств;

обладают большой чувствительностью;

позволяют осуществлять контроль в реальном времени;

4 применимы для исследования нестационарных, быстропротекающих явлений (таких, как горение, детонация, распространение ударных волн и т.д.), так как они не обладают малой инерционностью [2];

зачастую являются единственно возможными, например, при изучении весьма удаленных или труднодоступных объектов;

обладают высокой информативностью. По получаемой спектроскопической информации можно судить о наличии соответствующего химического элемента, о кинетической температуре излучающего газа (доплеровское уширение контура линии), о плотности возмущающих частиц (уширение из-за эффекта давления), концентрации заряженных частиц (штарковское уширение) и о концентрации излучающих частиц по интенсивности обнаруженной линии [3, 4].

Большая роль спектроскопических методов при решении задач контроля процессов горения требует дальнейшего совершенствования известных и разработки новых методов анализа спектра оптических сигналов, создания широкой номенклатуры спектральных приборов оптического диапазона, а также дальнейшей разработки теории спектральных измерений.

Существующие технические средства оптической спектроскопии, построенные по традиционному принципу, выполняют контактный анализ, при котором излучение непосредственно падает на вход спектрального прибора, и они не способны решать задачи контроля таких процессов горения, где непосредственный контакт прибора контроля с полем излучения пламени невозможен, либо нежелателен. Отсюда возникает острая потребность в приборах, позволяющих выполнять контроль процессов горения на основе бесконтактного анализа спектра оптического излучения, исключая непосредственный контакт прибора с полем излучения источника (очага горения). При бесконтактном анализе оптический сигнал падает не на вход прибора, а сначала передается на безопасное для него расстояние от очага горения, например, с помощью оптического волокна. В настоящее время существуют спектральные приборы, в которых для передачи анализируемого оптического сигнала используется одномодовые или многомодовые оптические волокна. Однако в этом случае возникает ряд трудностей, при использовании многомодового волокна происходит искажение волнового фронта анализируемого излучения за счет многомодового распространения излучения в волокне, что приводит к ухудшению разрешающей способности прибора и существенным погрешностям спектральных измерений [5]. При использовании одномодовых волокон возникают серьезные трудности с вводом оптического излучения в волокно [6], в результате чего снижается светосила линии передачи, а, следовательно, и ухудшается чувствительность прибора.

Отсюда вытекает актуальность создания спектрометров с улучшенной чувствительностью, при сохранении или даже улучшении разрешающей способности прибора.

В диссертационной работе для решения задач контроля процессов горения разработан метод бесконтактного анализа оптических спектров, основанный на явлении резонанса в n параллельных каналах, и его техническая реализация в форме многоканального спектрометра. В разработанном приборе спектральное разложение осуществляется набором оптических резонаторов (узкополосных интерференционных оптических фильтров), настроенных на определенную частоту (длину волны). Для передачи излучений на вход спектрометра используется волоконнооптический жгут. Этот метод позволяет повысить чувствительность прибора контроля, без ухудшения его разрешающей способности.

Многоканальный резонаторный спектрометр оптического диапазона принципиально отличается от известных оптических спектральных приборов, и, следовательно, требует специального теоретического описания, выполненного на основе математического аппарата, который в спектрометрии раньше не применялся.

Разработка и исследование предлагаемого в данной диссертационной работе резонансного метода бесконтактного параллельного анализа оптических спектров и прибора контроля, реализующего этот метод, лежит в русле дальнейшего развития и совершенствования теории и практики оптической спектрометрии применительно к задачам контроля процессов горения, а также задачам контроля окружающей среды, различных веществ и материалов, что подчеркивает актуальность, проводимых в работе исследований.

Научные исследования, выполненные в рамках данной диссертационной работы, являются составной частью НИР, проводимых по грантам РФФИ № 10-07-00371, № 11-07-00308 и № 13-07-00238 [7, 8, 9], а новизна разработанного спектрометра подтверждается полученным на него патентом РФ № 86734 [10].

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение чувствительности контроля процессов горения на основе резонансного метода бесконтактного параллельного анализа оптических спектров.

В данной работе объектом исследования являются процессы горения, например, в двигателях внутреннего сгорания, ракетных двигателях, теплоэнергетических установках, а также пожары, в частности в корабельных отсеках, и т.п., а предметом исследования – оптические излучения, содержащие спектроскопическую информацию об этих процессах.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить задачи:

1. Разработать метод бесконтактного параллельного анализа оптических спектров для решения задач контроля и обосновать его преимущества.

2. Предложить теоретический подход к анализу оптических спектров в рамках разработанного метода.

3. На основе предложенного подхода выполнить теоретическое исследование работы анализирующей части (резонаторной системы) многоканального спектрометра.

4. Дать теоретическое описание получения многоканальным спектрометром энергетического спектра, несущего информацию о состоянии контролируемого процесса горения.

5. Предложить схему построения прибора контроля, реализующего разработанный метод.

6. Разработать и создать лабораторный макет многоканального резонаторного спектрометра с передачей анализируемых сигналов по волоконно-оптическому жгуту.

7. Провести экспериментальное исследование источников оптического излучения с применением разработанного лабораторного макета.

Методы решения задач При проведении теоретического описания процесс анализа спектра оптических сигналов разрабатываемым многоканальным резонаторным спектрометром оптического диапазона целесообразно разделить на два этапа.

Сначала вычисляется комплексный спектр анализируемого оптического сигнала с помощью анализатора комплексного спектра, который входит в состав многоканального спектрометра и представляет собой его резонаторную систему. Второй этап заключается в дальнейшей обработке комплексного спектра детектирующей системой спектрометра для получения энергетического спектра, который является результатом спектрального измерения в оптическом диапазоне.

Теоретические исследования опираются на сформулированные в математической теории гармонического анализа [11] и теории сигналов понятия спектральных функций временных частот и их преобразований линейными системами. И исследование действия резонаторной системы спектрометра должно опираться на методы теории линейных систем [12, 13, 14, 15] с привлечением теории сигналов [16, 17], где линейность устанавливается относительно мгновенных значений. В силу специфики рассматриваемого прибора, состоящего из n параллельных каналов, к его теоретическому описанию необходимо применить методы матричного исчисления [18].

В рамках системного подхода резонаторная система спектрометра рассматривается как многомерная линейная система, действие которой описывается линейным интегральным оператором. Ядром этого оператора является матричная аппаратная функция, которая вводится впервые в данной диссертационной работе. Такой подход устанавливает связь между математическим понятием спектра и аппаратурным, т.е. физическим спектром, получаемым на выходе резонаторной системы.

Применяемая методология соответствует понятию радиооптики, под которой понимается определенный подход, характеризующийся перенесением известных идей и методов теоретической радиотехники в оптику, и наоборот [19]. Данный радиооптический подразумевает перенос идеи и метода параллельного анализа спектров, известных в радиодиапазоне, в теорию и практику оптической спектрометрии.

Специфика детектирования в оптическом диапазоне, результатом чего является измерение энергетических величин, потребовала переход от комплексного спектра к энергетическому спектру. Этот переход был выполнен с применением специального математического аппарата теории вытянутых волновых сфероидальных функций [20, 21].

Полученные в рамках данной диссертационной работы теоретические выкладки, описывающие действие резонаторной системы многоканального резонаторного спектрометра, также пригодны для описания процесса измерения спектра параллельными анализаторами спектра, работающими в радиодиапазоне, поскольку опираются на общую методологию теории линейных систем и теорию сигналов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Для решения задач контроля процессов горения впервые разработан метод бесконтактного анализа спектра оптических излучений, основанный на явлении резонанса в n параллельных каналах, и реализующий его прибор контроля с улучшенной чувствительностью без ухудшения разрешающей способности по сравнению с существующими аналогами.

2. Впервые проведено теоретическое исследование процесса анализа спектра многоканальным спектрометром на основе математического аппарата (теория многомерных линейных, методы матричного анализа и теория вытянутых волновых сфероидальных функций), который в оптической спектрометрии раньше не применялся, что позволило дать адекватное методу параллельного анализа описание работы разработанного прибора.

3. В отличие от известной методики описания работы оптического спектрального прибора разработанный теоретический подход дает последовательное описание прохождения анализируемого оптического сигнала, отражающего состояние контролируемого процесса горения, через все узлы спектрального прибора.

4. Новизна разработанного спектрометра заключается в применении набора оптических резонаторов и волоконно-оптического жгута, используемого для ввода излучения в резонаторы и позволяющего удалить прибор контроля на безопасное расстояние от очага горения, и тем самым исключить его непосредственный контакт с полем излучения пламени.

Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью ранее известным положениям, применением в процессе исследований адекватных физических и математических моделей, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, а также положительными результатами внедрения.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Результаты теоретических исследований позволили сформулировать требования к основным параметрам промышленных образцов спектрометров такого типа, разрабатываемым в дальнейшем, а именно требования к ширине полосы пропускания резонаторов, частотам (длинам волн) настройки резонаторов и времени интегрирования результатов фотодетектирования.

2. Разработан лабораторный макет прибора контроля в форме многоканального спектрометра, и подтверждена его работоспособность.

Экспериментально доказано, что применение многомодового волоконнооптического жгута в качестве линии передачи анализируемого сигнала значительно увеличивает чувствительность разработанного прибора и не приводит к ухудшению его разрешающей способности по сравнению с существующими спектральными приборами, что повышает чувствительность контроля на основе предложенного метода.

3. Результаты исследований легли в основу разработки 30канального прибора контроля состояния жидкостного ракетного двигателя по спектру излучения его факела, диапазон анализируемых длин волн:

4. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке анализатора спектра факела пламени мартеновской печи в рамках НИОКР по контракту № 11572р/20938, выполняемой при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере [22].

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований также могут быть использованы при разработке технических средств для решения задач контроля процессов горения и технологических процессов, протекающих в условиях повышенной температуры, влажности, агрессивной химической среды, повышенного уровня взрывоопасности и радиации.

6. На базе разработанного лабораторного макета многоканального резонаторного спектрометра с передачей анализируемых сигналов по волоконно-оптическому жгуту поставлены демонстрационные лабораторные работы по курсам «Основы оптики» и «Оптическая обработка информации» на кафедре электроники и оптической связи ГУАП.

Практическая значимость исследований подтверждается актами о внедрении.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод бесконтактного параллельного анализа оптических спектров для решения задач контроля процессов горения, и схема построения прибора контроля, реализующего этот метод.

2. Теоретическое исследование работы резонаторной системы многоканального спектрометра оптического диапазона.

3. Теоретическое исследование процесса получения многоканальным спектрометром энергетического спектра, несущего информацию о состоянии контролируемого процесса горения.

4. Результаты экспериментальных исследований многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на X, XI, XII, XIII, XIV, XV международных молодежных научных конференциях «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems» (Санкт-Петербург, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); на научной сессии ГУАП (СанктПетербург, 2011, 2013 гг.); на X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010 г.); на VI Международной научнотехнической конференций «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011″» (г. Казань, 2011 г.); на международных научных конференциях «Лазеры, измерения, информация»

(Санкт-Петербург, 2011, 2012 гг.); на Международных научных симпозиумах «SPIE Optics + Photonics» (г. Сан-Диего, США, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 печатных работах, 2 из которых – патенты, 3 – статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, 19 – публикаций в материалах российских и международных форумов и конференций.

Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, получении и анализе результатов исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемой литературы, одного приложения. Общий объем – 152 страницы, включая 50 рисунков и 4 таблицы. Список используемой литературы содержит 112 наименований.

Во введении сформулирована актуальность темы диссертации, указаны ее цели и задачи, методы исследования, научная новизна работы и практическая значимость. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, содержатся сведения об апробации работы и её структуре.

В первом разделе выполнен обзор методов контроля процессов горения, на основании которого был выделен спектроскопический метод, как наиболее информативный. Выполнен обзор методов оптической спектроскопии, а также существующих спектральных приборов, выполняющих как контактный, так и бесконтактный анализ спектра оптических сигналов.

Проведенный анализ показал, что известные спектральные приборы обладают целым рядом недостатков, к числу которых можно отнести проблему формирования плоского однородного фронта анализируемого излучения и наличие прецизионной механической системы перестройки по диапазону анализируемых длин волн.

Отмечаются известные экспериментальные исследования по применению оптического волокна в качестве линии передачи анализируемого излучения в спектрометре на базе акустооптического перестраиваемого фильтра [5]. Полученные в этой работе результаты экспериментально подтверждают, что использование оптического волокна ведет к уширению и искажению формы аппаратной функции спектрометра, а значит к ухудшению разрешающей способности прибора, особенно в случае применения многомодового волокна.

Рассмотрены два новых принципа построения спектральных приборов, выполняющих бесконтактный анализ спектра оптического излучения на основе резонансного метода. Первый принцип реализован в виде оптического спектрометра на базе волоконных брэгговских решеток, второй – в виде многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона.

Реализации обоих принципов в виде устройств защищены патентами РФ [10, 23]. Выделены достоинства этих спектрометров по сравнению с традиционными оптическими спектрометрами контактного и бесконтактного анализа.

Рассмотрены аналитические методы спектрометрии. Показаны важные аспекты теории современной оптической спектрометрии, которые все еще остаются недостаточно разработанными и требуют более детального исследования.

Во втором разделе разработан теоретический подход к анализу оптических спектров сигналов контролируемых процессов горения. Особое внимание уделено решению первостепенной задачи теории спектральных измерений, а именно установлению связи между спектром истинным (математическим), отражающим состояние контролируемого процесса горения, и аппаратурным спектром (физическим), получаемым с помощью спектральной аппаратуры и дающим информацию получателю о состоянии этого процесса.

Исходя из информационного аспекта теории измерений, показано, что в качестве адекватной модели анализируемого оптического излучения следует взять гармонизуемый случайный процесс, который характеризует состояние контролируемого процесса горения.

Исходя из основной концепции теории линейных систем, обосновано, что в случае анализа спектра в оптическом диапазоне спектрального прибора определяется как его реакция на однородную плоскую монохроматическую волну. Также показано, что аппаратную функцию анализатора комплексного спектра, который входит в состав многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона, следует рассматривать как действие линейного ограниченного оператора на – воздействие в частотной области.

Помимо общеизвестных переменных во времени спектров (текущего и мгновенного) в теорию спектральных измерений были введены еще два спектра: выборочный и мгновенный, предложенный в новой форме.

В третьем разделе выполнено теоретическое исследование работы прибора контроля в форме многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона, реализующего разработанный метод. Теоретический анализ процесса измерения спектра разработанным многоканальным спектрометром выполнен на основе специального математического аппарата, опирающегося на теорию многомерных линейных систем, методы матричного исчисления и теорию вытянутых волновых сфероидальных функций. Специфика измерения спектра в оптическом диапазоне потребовала раздельного анализа резонаторной системы многоканального резонаторного спектрометра и всего прибора в целом.

Получено основное соотношение теории спектральных измерений в матричной форме, которое устанавливает связь между истинным распределением энергии по спектру, отражающим состояние контролируемого процесса горения, и спектральным распределением энергии по спектру, полученным экспериментально с помощью многоканального спектрометра и дающим информацию получателю о состоянии этого процесса.

В четвертом разделе приводятся результаты экспериментального исследования многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона, приведены фотографии действующего лабораторного макета и отдельных его блоков, а также некоторые конструктивные сведения.

Приводятся результаты выполненных экспериментальных исследований, где в качестве тестовых источников оптического излучения использовались лампа накаливания и вольфрамовая галогенная лампа. Рассмотрены области возможного применения разработанного многоканального резонаторного спектрометра для решения задач контроля процессов горения, а именно диагностика жидкостного ракетного двигателя по спектру излучения его факела и создание абсолютно взрывобезопасных пламенных пожарных извещателей, а также для контроля технологических процессов, протекающих в неблагоприятных условиях, например повышенной температуры, влажности и агрессивно-химической среды.

В приложении А приводятся скан-копии страниц из каталога оптических фильтров фирмы Omega Optical, Inc, содержащих информацию об основных характеристиках узкополосных оптических фильтрах (резонаторах оптического диапазона).

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1 Спектральные измерения в оптическом диапазоне для решения задач контроля процессов горения

1.1 Оптические методы контроля процессов горения Среди методов контроля процессов горения, как отмечалось выше, наибольшее распространение в практике нашли оптические методы контроля, отвечающие необходимости изучения быстропротекающих процессов горения. К таковым следует отнести фотографические методы в разных вариантах (скоростная и сверхскоростная фотография), теневые, интерференционные, спектроскопические методы и методы измерения температуры пламени [2].

1.1.1 Фотографические методы Фотографический метод исследования находит широкое применение почти во всех областях науки и техники. Фотография является неизменным средством наблюдения, регистрации и измерения, во многих случаях позволяющим добиться таких результатов, которые не могут быть получены никаким другим способом. Скоростная и сверхскоростная фоторегистрация позволяют наблюдать такие явления и процессы, которые человеческому глазу принципиально недоступны. К преимуществам скоростной фоторегистрации следует отнести возможность изменения масштаба времени, т.е. необходимого ускорения течения кинемотографического изображения медленных и замедления быстрых процессов, возможность регистрации отдельных фаз чрезвычайно кратковременных и быстрых явлений, возможность одновременной одинаково точной фиксации огромного числа объектов и их элементов [2].

В настоящее время существует огромное количество устройств для контроля процессов горения фотографическим методом, но наилучшим приборами, получившими общее признание, являются телевизионные камеры (скоростные, высокоскоростные).

Но, несмотря на свои достоинства, фотографический метод имеет и недостатки. Во-первых, последующая обработка полученной информации требует некоторого времени, что не позволяет проводить контроль процессов горения в реальном времени. Во-вторых, этот метод не обладает высокой информативностью, по полученным результатам нельзя судить о наличии того или иного химического элемента, о его концентрации и т.п.

1.1.2 Теневые и интерференционные методы Прямое скоростное и высокоскоростное фотографирование явления в собственном свете дает важную информацию о развитии процесса горения, однако более полную информацию можно получить при использовании оптических методов контроля, основанных на взаимодействии проходящего света с исследуемым объемом газа [2].

Оптической неоднородностью, или шлирой, называют малую область в прозрачной среде, которая вызывает нерегулярные отклонения проходящего через нее света.

Нерегулярные отклонения света в различных точках шлиры вызываются изменением показателя преломления среды или изменением толщины прозрачного тела, или по обеим этим причинам. Характерными примерами шлир являются конвективные потоки воздуха от нагретых тел, фронт пламени и детонационной волны, ударные волны.

Основная идея теневых и интерференционных методов контроля процессов горения состоит в следующем: при прохождении через неоднородность световой луч отклонится на некоторый угол от первоначального направления распространения. Соответствующие оптические системы позволяют определить либо время запаздывания пришедшего луча, либо угол отклонения пришедшего луча от первоначального направления распространения, либо смещение точки падения светового луча на экране [2].

По измеренным величинам становится возможным в каждой точке неоднородности вычислить показатель преломления среды. Зная показатель преломления среды в каждой точке с помощью известных соотношений можно рассчитать соответствующие значения других параметров среды.

Метод исследования оптических неоднородностей, основанный на измерении времени запаздывания, называется интерференционным методом;

основанный на измерении отклонения — методом Теплера или шлиренметодом; основанный на измерении смещения — теневым методом.

К недостаткам этих методов контроля можно отнести невозможность проведения точных количественных исследований структуры оптической неоднородности, необходимость дальнейших расшифровок тенеграмм и интерферограмм и недостаточную информативность, как в случае фотографического метода контроля.

1.1.3 Контроль процесса горения путем измерение скорости потока газа Измерение скоростей в потоках газа при горении представляет большие трудности. Любые датчики, введенные в сверхзвуковое пламя, вызывают образование ударных волн, значительно изменяющих поток, где замеряется скорость, а сами датчики подвергаются действиям высокой температуры и механических сил от потока горящего газа, которые часто разрушают их [2].

Одним из наиболее простых методов измерения скоростей газа является создание в движущемся газе «метки», перемещающейся вместе с потоком. Меткой служит небольшой объем газа, нагретый искровым разрядом, или ионное облачко, созданное тем же разрядом.

В зависимости от характера «метки» используется тот или иной способ регистрации ее движения. За движением нагретого объема газа удобно следить оптическим методом, позволяющим не только непрерывно регистрировать изменение положения «метки» в пространстве, но и визуально наблюдать другие гидродинамические неоднородности потока.

Оптический метод регистрации с успехом использовался для определения профиля скорости потока газа, изучения пограничного слоя, измерения турбулентных характеристик потока [2].

Недостатками этого метода контроля являются недостаточная его информативность и возникновение возмущений в исследуемой среде, что может привести к изменению ее свойств.

1.1.4 Контроль процесса горения путем измерения температуры Температура является одним из основных параметров многих физикохимических процессов. Для измерения температур пламён и газовых сред применяются следующие оптические методы: 1) яркостный метод; 2) цветовой метод; 3) метод обращения спектральной линии; 4) метод интенсивности насыщенного центра спектральной линии; 5) метод относительной интенсивности спектральных линий; 6) метод измерения температуры по вращательному молекулярному спектру; 7) метод измерения температуры по колебательному молекулярному спектру; 8) метод измерения температуры по допплеровскому уширению спектральной линии и др [2].

Необходимо отметить, что применимость перечисленных оптических методов, а также точность, достигаемая ими, целиком определяется свойствами исследуемых газовых сред и пламён. Ввиду того, что излучение газовых сред и пламён зависит не только от их температуры, но и от многих других факторов (от коэффициента излучения и размеров факела, от химических процессов, происходящих в газах и т. д.), применению выбранного оптического метода измерения температуры должно предшествовать проведение предварительных спектральных исследований объекта; лишь после тщательного анализа свойств излучающей среды можно остановиться на том или ином оптическом методе определения температуры, который дает при измерении достаточную методическую точность [2].

Оптическими методами, применяемыми для определения температур светящихся газовых сред и пламён, в большинстве случаев измеряется не истинная температура, а некая эффективная радиационная, яркостная, цветовая температура, отличие которой от истинной определяется в основном испускательной способностью среды.

Оптико-электрические системы, применяемые при измерении температуры, имеют, как правило, три основных элемента: а) чувствительный элемент (приемник излучения); б) усилительпреобразователь; в) регистрирующий прибор. В некоторых системах, работающих с применением метода лучеиспускания — поглощения, к данным элементам добавляется источник сравнения.

Ввиду того, что оптические методы определения температур требуют в большинстве случаев выделения и измерения узких спектральных полос (обладающих малой суммарной энергией излучения), сигнал, получаемый с чувствительных элементов, имеет весьма малую величину. Это обстоятельство в ряде случаев вынуждает применять электронные усилители, имеющие значительные коэффициенты усиления. Усилители, применяемые в таких приборах, могут вносить существенные погрешности при измерении быстропеременных температур, поэтому их широкополосность имеет важное значение.

1.1.5 Спектроскопические методы контроля процессов горения К числу наиболее информативных оптических методов контроля процессов горения относятся спектроскопические.

В зависимости от характера исследуемых спектров различают спектральный анализ по спектрам испускания (эмиссионный), по спектрам поглощения (абсорбционный, позволяющий определять как элементарный, так и молекулярный состав вещества), по спектрам комбинационного рассеяния света, по спектрам люминесценции, по рентгеновским спектрам и по спектрам микроволнового излучения. Спектроскопия в настоящее время является единственным экспериментальным методом, позволяющим изучать кинетику и механизм реакции, не нарушая и не прерывая ее [2].

Особенное значение спектроскопические методы имеют при изучении сложных химических реакций при горении, в ходе которых в реагирующей системе возникают и исчезают разнообразные промежуточные вещества.

Поскольку в большинстве случаев эти вещества обладают весьма малой продолжительностью жизни, обычный химический анализ в данном случае оказывается бессильным; спектроскопический же метод в принципе позволяет не только идентифицировать отдельные промежуточные вещества, но и также измерять их концентрацию и установить их роль в механизме реакции.

Прибором контроля в данном случае является спектральный прибор, который исследует электромагнитное излучение как сигнал, несущий спектроскопическую информацию об объекте, т.е. о процессе горения.

Спектральные приборы позволяют: а) разложить исследуемое излучение в спектр и зафиксировать положение отдельных его участков или отдельных спектральных линий; б) измерить интенсивность того или иного участка спектра, той или иной спектральной линии.

Как отмечалось во введении, основные преимущества спектроскопических методов по сравнению с остальными состоят в следующем:

не вносят возмущений в исследуемую среду и не вызывают изменения ее физических и химических свойств;

обладают большой чувствительностью;

позволяют осуществлять контроль в реальном времени;

применимы для исследования нестационарных, быстропротекающих явлений (таких, как горение, детонация, распространение ударных волн и т.д.), так как они не обладают инерционностью;

зачастую являются единственно возможными, например, при изучении весьма удаленных или труднодоступных объектов;

обладают высокой информативностью, при этом получаемая спектроскопическая информация позволяет судить о наличии соответствующего химического элемента, о кинетической температуре излучающего газа (доплеровское уширение контура линии), о плотности возмущающих частиц (уширение из-за эффекта давления), концентрации заряженных частиц (штарковское уширение) и о концентрации излучающих частиц по интенсивности обнаруженной линии.

Особенное значение спектроскопических методов при решении задач контроля процессов горения подчеркивает актуальность разработки новых методов анализа спектра оптических сигналов и новых спектральных приборов оптического диапазона, а также дальнейшей разработки теории спектральных измерений.

1.2 Принципы получения спектроскопической информации в оптическом диапазоне В настоящее время в практике оптической спектрометрии используется два принципа получения спектроскопической информации, которые следует назвать контактным и бесконтактным. Первый из них является традиционным, при котором анализируемое излучение непосредственно падает на вход прибора контроля, которым является спектральный прибор. На рисунке 1 показан контактный принцип измерения спектра оптических сигналов.

Каждый электрик должен знать:  Как подключить двухклавишный выключатель с подсветкой

24 Рисунок 1 – Контактный принцип измерения спектра оптических сигналов В течение многих лет этот принцип спектральных измерений оставался единственным в практике оптической спектрометрии, и оптическая спектрометрия являлась контактной, что сильно ограничивало ее возможности, особенно при решении задач контроля процессов горения, где непосредственный контакт прибора контроля с полем излучения пламени невозможен, либо нежелателен.

Существует целый ряд актуальных задач контроля, где выполнение спектрального анализа невозможно при непосредственном контакте спектральной аппаратуры с полем излучения источников, например с очагом горения. Поэтому в последнее время в практике спектральных измерений находят применение спектральные приборы, проводящие бесконтактный анализ спектра оптического излучения. Для устранения непосредственного контакта спектрального прибора с полем излучения анализируемого источника используется оптическое волокно [24, 25, 26]. На рисунке 2 показан бесконтактный принцип измерения спектра оптических сигналов.

Рисунок 2 – Бесконтактный принцип измерения спектра оптических сигналов При бесконтактном принципе измерения спектра каналом передачи информации является слой свободного пространства и волоконно-оптическая система передачи.

Несмотря на существенное достоинство бесконтактного анализа спектра, возникает и ряд сложностей при разработке спектральных приборов, реализующих этот принцип получения спектроскопической информации, связанных с применением оптического волокна, что стимулирует изыскание новых принципов построения спектральной аппаратуры, реализующей бесконтактный анализ спектра.

1.3 Методы анализа спектра в оптическом диапазоне и основные типы оптических спектральных приборов, выполняющие контактный анализ спектра В основе действия спектральных приборов лежит одно из следующих явлений: интерференция, дифракция, резонанс. В соответствии с этим можно выделить следующие методы анализа спектра в оптическом диапазоне:

Наиболее широкое применение в оптической спектрометрии находят спектральные приборы, которые выполняют анализ спектра на основе дифракционного метода. Оптическая схема дифракционного спектрального прибора приведена на рисунке 3 [3].

Эти приборы выполняют пространственное разложение оптического излучения в спектр по длинам волн (частотам) с помощью диспергирующего элемента, которым излучения различных длин волн разделяются по направлению. Диспергирующий элемент преобразует падающий на него параллельный пучок оптического излучения в совокупность параллельных пучков монохроматического излучений, отклоненных на различные углы в зависимости от длины волны. Число параллельных пучков определяется набором длин волн входящих в состав исследуемого излучения. Далее эти пучки фокусируются выходным объективом в его фокальной плоскости и подвергаются дальнейшей обработке. В качестве диспергирующего элемента могут быть использованы дифракционная решетка (решеточные спектральные приборы) или преломляющая призма (призменные спектральные приборы) [4].

Наряду с вышеперечисленными спектральными приборами, в последнее время находят довольно широкое применение оптические спектральные приборы, у которых в качестве диспергирующего элемента используются акустооптический перестраиваемый фильтр. Принцип работы этих приборов заключается в том, что оптическое излучение дифрагирует на решеткоподобной структуре, которая формируется акустической волной, бегущей вдоль выбранного направления кристалла акустооптического модулятора [27].

Существует и другой класс оптических спектральных приборов, которые выполняют анализ спектра интерференционным методом – это приборы с интерференционной селективной модуляцией. Принцип действия этих приборов основан на модуляции светового потока. К таким спектральным приборам относятся спектрометры с интерференционной селективной амплитудной модуляцией (сисам), и фурье-спектрометры, те и другие строятся на основе интерферометра Майкельсона [4].

Фурье – спектрометр, где принцип измерения спектра основан на теореме Бохнера, включает в себя интерферометр Майкельсона, формирующий временную корелляционную функцию оптического излучения [28], и гармонический анализатор, вычисляющий преобразование Фурье этой функции.

Однолучевой интерферометр Майкельсона представлен на рисунке 4.

ИИ – источник излучения, ФО – формирующая оптика, Щ – щель, О1 и О2 – входной и выходной объективы, ПЗ – полупрозрачное зеркало, З1 и З2 – первое и второе зеркало, Ф – фотодетектор Рисунок 4 – Оптическая схема интерферометра Майкельсона После формирующей оптики анализируемое оптическое излучение проходит через щель, входной объектив и падает на полупрозрачное зеркало, на котором оно расщепляется на два пучка – проходящий и отраженный.

Первый пучок отражается от подвижного первого зеркала, и часть его направляется полупрозрачным зеркалом в выходной объектив и на фотодетектор. Второй пучок падает на второе зеркало, отражается от него и, возвращается обратно, проходит через полупрозрачное зеркало, идя далее по одному пути с первым пучком, интерферирует с ним, создавая на фотодетекторе интерференционную картину, соответствующую разности хода обоих пучков.

Интерферометр Майкельсона, согласно принципам построения корелляционных устройств звукового диапазона [29], можно отнести к последовательным корелляторам.

В особый класс можно выделить и спектрометры, построенные на базе интерферометра Фабри-Перо, представленного на рисунке 5. Эти спектрометры выполняют анализ спектра резонансным методом.

Интерферометр (резонатор) Фабри-Перо состоит из двух стеклянных или кварцевых пластин, расположенных на некотором расстоянии d параллельно друг другу. Обращенные внутрь поверхности пластин покрыты отражающими металлическими или диэлектрическими слоями, частично пропускающими свет. В интерферометре Фабри-Перо образование когерентных пучков происходит в результате многократного отражения падающей волны от отражающих плоскостей и частичного ее выхода после каждого отражения. Пройдя через выходной объектив, когерентные волны интерферируют друг с другом в его фокальной плоскости и образуют пространственную интерференционную картину, имеющую форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны [4].

Оптические спектральные приборы имеют следующие числовые технические характеристики [3, 4]:

1. Разрешающая способность (способность прибора разрешить две близко расположенные спектральные линии).

2. Диапазон анализируемых длин волн или частот.

3. Светосила прибора (величина, которая характеризует часть оптической энергии, испускаемой источником излучения, попавшую на фотоприемник спектрального прибора).

4. Динамический диапазон (характеризует способность прибора обрабатывать излучения разной интенсивности).

5. Быстродействие прибора (временной интервал, в течение которого спектральный прибор способен проанализировать весь диапазон заданных частот).

6. Угловая апертура устройства (определяет тот диапазон углов падения оптического излучения на прибор, в котором остальные его характеристики существенно не ухудшаются).

7. Вес, габариты, стабильность параметров при воздействии температуры и вибраций, удобство при эксплуатации.

Отмечая характеристики оптических спектральных приборов, реализующие рассмотренные методы анализа спектра, следует отдельно выделить еще одну характеристику реального спектрального прибора – аппаратную функцию, которая определяет степень аппаратурных искажений и разрешающую способность [3]. Аппаратная функция описывает наблюдаемое спектральное распределение энергии по спектру на выходе прибора, при подаче на вход прибора монохроматического излучения [3, 4, 30].

1.4 Сравнительный анализ спектральных приборов оптического диапазона Призменные спектральные приборы характеризуются простотой конструкции диспергирующего элемента. Также к достоинствам призменных спектральных приборов можно отнести отсутствие дополнительных дифракционных порядков в их выходной плоскости. Недостатками являются плохая разрешающая способность по сравнению с решеточными 31 спектральными приборами. Кроме того, сканирование спектра требует сложной, громоздкой и тяжелой прецизионной механической системы перестройки по диапазону анализируемых длин волн (частот).

Что касается решеточных спектральных приборов, то к их достоинствам можно отнести высокую разрешающую способность, которая достигается за счет применения решеток высокой разрешающей силы, и простоту конструкции дифракционной решетки.

Спектральные приборы, выполненные на базе акустооптического перестраиваемого фильтра, обладают большим быстродействием по сравнению с приборами, выполненными на базе дифракционной решетки, но, несмотря на это, они также имеют ряд недостатков. Для осуществления перестройки по диапазону частот необходимо наличие сложно технически реализуемого акустооптического модулятора, который определяет полосу анализируемых частот и разрешающую способность спектральных приборов, что значительно ухудшает массогабаритные характеристики спектрального прибора и усложняет процесс анализа спектра.

Современные эмиссионные спектрометры — что это такое и как выбрать подходящий?

Как мы получаем и анализируем спектр на спектрометре? С поверхности образца, под действием разницы потенциалов между электродами, вырывается небольшой кусочек вещества, который сгорает в аргоновой среде в виде плазменного облака с температурой горения порядка нескольких тысяч кельвин (от 5-6, если разряд типа «дуга» и до порядка 10-12, если разряд типа «искра»), в результате чего образуется оптическое излучение. Далее полученное излучение попадает в оптическую систему спектрометра, где раскладывается в спектр, анализируется и в итоге мы получаем конечный результат на экране компьютера, с которого производится управление спектрометром. Немного истории (рассказывать, как человечество додумалось раскладывать свет в разноцветный спектр и догадалось о взаимосвязи длины волны оптического излучения и химического элемента, который испускает излучение, не будем: этот вопрос подробно осветили курсы физики и химии). Нас больше интересует история техники применительно к спектрометрам. Конструктивно, любой эмиссионный спектрометр можно условно разделить на 3 основные части:

  1. Система получения/возбуждения оптического излучения (генератор искры/дуги высокого напряжения с обвязкой и электродами);
  2. Система разложения и фокусировки полученного спектра (оптическая система с дифракционной решеткой построенная по определенной оптической схеме)
  3. Система детектирования и обработки спектра ( система из CCD линеек либо ФЭУ либо комбинации 1 и 2 с передачей данных на систему обработки на сигнальных процессорах).

Развитие и совершенствование спектрометров шло нога в ногу с развитием элементной базы и номенклатуры такой отрасли, как микроэлектроника и опиралось на достижении физики, особенно в области детектирования спектра в инертных средах и средах с высоким разряжением. К современным, да и к предшествующим им спектрометрам, для работы в лабораториях заводов предъявлялись определенные требования, и в первую очередь это:
1) Точность определения,
2) Минимальные массагабаритные размеры,
3) Ремонтопригодность в условиях лаборатории.

Естественно совершенствовались все 3 основных части спектрометров данного типа. Наиболее заметная эволюция произошла в системе детектирования и обработки спектра, и связана она с появлением полупроводниковых технологий и в особенности приборов с зарядовой связью (ПЗС матриц, они же CCD матрицы). Исторически первым доступным детектором стал ФЭУ – фотоэлектронный умножитель – электровакуумный прибор. Даже на сегодняшний день он держит первое место по чувствительности и точности обнаружения, имеются приборы способные уловить даже излучение мощностью 1 фотон в минуту. Но также ФЭУ обладают двумя большими недостатками – большие габариты (невозможность разрешения спектра по всем элементам из-за взаимного перекрытия и как следствие невозможность создания многоосновных спектрометров на базе ФЭУ) и сложность в ремонте и эксплуатации и как следствие высокая цена. После ФЭУ в качестве детекторов стали использовать полупроводниковые приборы с зарядовой связью, в отличие от ФЭУ, они обладали маленькими масса – габаритными размерами (можно разрешить весь спектр и спроектировать многоосновный спектрометр) просто ремонтировать и эксплуатировать, но также был и большой недостаток – низкая чувствительность и точность определения. На сегодняшний день точность и чувствительность полупроводниковых детекторов значительно возросли и приблизились к параметрам ФЭУ.

Оптические системы также не застыли в развитии, оптические схемы построения совершенствовались, позволяя конструировать более компактные оптические системы, дифракционные решетки сменили принцип работы с пропускания на отражение, что позволило лучше разрешать спектр и минимизировать его аберрации. Системы из открытых стали замкнутыми, стали заполняться инертными газами (азотом, аргоном) либо вакуумироваться (рядом со спектрометром появился простой роторный форвакуумный насос). На сегодняшний день самой оптимальной оптической схемой считается схема Пашена — Рунге: 99% оптических систем всех выпускаемых спектрометров построено по этой схеме.

Источники возбуждения с появлением новой элементной базы также становились компактнее, возбуждение спектра теперь происходит в аргоновой среде, что позволяет избежать окисления легких элементов кислородом (увеличивая точность анализа), а также уменьшает мощность пробоя и как следствие позволяет использовать менее мощный генератор разряда (более компактные размеры, меньшее энергопотребление). И на последок, осталось самое интересное: какой же спектрометр выбрать, ведь так много спектрометров различных производителей выпускается? Ответ на этот вопрос зависит именно от Вас, точнее от того для решения каких задач вы хотите его приобрести.
Если Ваша задача это контроль сверхчистых плавок, например производство чистой меди, то необходим спектрометр на ФЭУ, который обеспечит точное измерение примесей в концентрациях порядка 0,0001 % согласно марке. Плюсы – высокая точность, стабильность и повторяемость результата. Минусы – невозможность анализа сплавов на нескольких основах (одна основа – один спектрометр, две основы – два спектрометра …) и высокая стоимость, ремонт только на заводе изготовителе. Если необходим контроль отдельных элементов по сплавам на разных основах, то лучшее решение – спектрометр с комбинированной системой детектирования (основной детектор CCD линейки, а на регистрацию отдельных элементов установлены ФЭУ). Плюсы – высокая точность по отдельным элементам, возможность использования одного спектрометра для анализа сплавов по нескольким основам. Минусы – стоимость почти такая же как и у спектрометра на ФЭУ, из-за установки ФЭУ теряется точность либо выпадают элементы по некоторым основам, возможен частичный ремонт на месте эксплуатации. Когда необходим входной/выходной контроль либо контроль типовых сплавов – лучший выбор – спектрометр на CCD. Плюсы: возможность использования одного спектрометра для анализа сплавов по нескольким основам, простота в обслуживании и эксплуатации, полноценный ремонт на месте эксплуатации, стоимость в несколько раз ниже, чем у спектрометров на ФЭУ. Минусы: нельзя использовать при анализе сверхчистых сплавов, точное измерение примесей в концентрациях порядка 0,001 %. Касаемо производителей, ситуация тоже неоднозначная, на рынке присутствуют как европейские, так и японские, американские, китайские и отечественные спектрометры. Учитывая, что более 80% производственных мощностей сосредоточено на территории Китая, там происходит сборка и подготавливается элементная база, практически любой спектрометр можно смело называть «Китайским». Только дорогостоящие спектрометры на ФЭУ собираются в странах Европы, США и Японии. Вся разница заключается в программном обеспечении и алгоритмах обработки информации, и с каждым годом разрыв между европейскими и китайскими производителями сокращается. На сегодняшний день, если речь идет о самом массовом сегменте спектрометров – на CCD, то лучший выбор это М5000, при той же точности анализа, получается хороший выигрыш по цене в сравнении с европейскими спектрометрами, нет необходимости «платить за брэнд».

Спектральные методы исследования

Спектральные методы исследования основаны на использовании явлений поглощения (или испускания) электромагнитного излучения атомами или молекулами определенного вещества.

Частота (длина волны) излучения определяется составом вещества. Интенсивность аналитического сигнала пропорциональна количеству частиц, вызвавших его появление, то есть массе определяемого вещества или компонента смеси.

Спектральные методы анализа дают широкие возможности для наблюдения и исследования соответствующих сигналов в различных областях электромагнитного спектра – рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное, а также микро- и радиоволновое излучение.

По источнику и типу аналитического сигнала спектральные методы разделяют на молекулярно-абсорбционную спектрометрию, молекулярно-люминисцентную или флуориметрию, на атомно-абсорбционную и атомно-эмиссионную, а также спектрометрию ядерно-магнитного резонанса и электронно-парамагнитного резонанса.

В молекулярно-абсорбционной спектрометрии исследуют аналитические сигналы в области от 200 до 750 нм (УФ – излучение и видимый свет), вызванные электронными переходами внешних валентных электронов, а также поглощение излучения в ИК – и микроволновой области, связанное с изменением вращения и колебания молекул. Наиболее широкое распространение получил метод, основанный на изучении поглощения в видимой области спектра в интервале длин волн от 400 до 750 нм — фотометрия; а также метод, основанный на поглощении излучения в различных частях инфракрасной области электромагнитного спектра – ИК-спектрометрия, чаще всего используют поглощение излучения в средней (длина волны 2,5 — 25 мкм) и ближней (длина волны 0,8 — 2,5 мкм) ИК-области.

Фотометрический метод количественного анализа основан на способности определяемого вещества, компонента смеси или их окрашенных форм поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона. Способность к поглощению зависит от цветности исследуемого вещества. Цветность определяется электронным строением молекулы, обычно ее связывают с наличием в молекуле так называемых хромофорных групп, обусловливающих поглощение электромагнитного излучения веществом в видимой и УФ-областях спектра.

Общая схема выполнения фотометрического определения едина и включает следующие стадии:

· подготовку пробы и переведение определяемого вещества или компонента в раствор, в реакционноспособную, в зависимости от химизма аналитической реакции, форму;

· получение окрашенной аналитической формы определяемого вещества в результате проведения цветной реакции при оптимальных условиях, обеспечивающих ее избирательность и чувствительность;

· измерение светопоглощающей способности аналитической формы, т. е. регистрация аналитического сигнала при определенных условиях, отвечающих его локализации и наибольшей интенсивности.

Промышленностью выпускаются различные приборы молекулярно-абсорбционной спектрометрии — колориметры, фотометры, фотоэлектроколориметры, спектрофотометры и т.д., в которых установлены различные комбинации источников света, монохроматизаторов и рецепторов. Приборы можно классифицировать следующим образом:

· по способу монохроматизации лучистого потока — спектрофотометры, т. е. приборы с призменным или решеточным монохроматором, позволяющие достигать высокой степени монохроматизации рабочего излучения; фотоэлектроколориметры, т. е. приборы, в которых монохроматизация достигается с помощью светофильтров;

· по способу измерения — однолучевые с прямой схемой измерения (прямопоказывающие) и двухлучевые с компенсационной схемой;

· по способу регистрации измерений — регистрирующие и нерегистрирующие.

Инфракрасная спектроскопия – это метод анализа химических соединений, при котором поглощается энергия в пределах инфракрасного излучения (тепловое излучение). ИК-спектроскопию применяют для определения практически любой функциональной группы, идентификации соединений и т.п. Различные молекулы, содержащие одну и ту же атомную группировку, дают в ИК-спктре полосы поглощения в области одной и той же характеристической частоты. Характеристические частоты дают возможность по спектру установить конкретные группы атомов в молекуле и тем самым определить качественный состав вещества и строение молекулы. В общем случае ИК – анализатор представляет собой однолучевой или двухлучевой инфракрасный спектрофотомер, состоящий из трех основных блоков: подготовки пробы, спектрофотометрических измерений, преобразования сигналов и вычислений. В настоящее время разработаны ИК-анализаторы, основанные на работе в ближайшей инфракрасной области спектра 0,8-2,5 мкм (БИК-анализаторы).

Молекулярно-люминисцентная спектрометрия. Метод анализа, основанный на измерении флуоресценции, называется флуориметрией. Флуоресценция (люминисценция – испускание света) обусловлена поглощением веществом света определенной длины волны. Поглощение ультрафиолетового света определенными молекулами с легковозбуждаемыми электронами приводит к флуоресценции в видимой спектральной области. Флуоресценция свойственна относительно небольшому числу соединений (ароматическим соединениям и порфинам). Ряд соединений можно перевести во флуоресцирующие, введя в молекулу флуоресцирующую группу. Основным преимуществом флуориметрии по сравнению с другими абсорбционными методами является высокая селективность, так как флуоресценцией обладает значительно меньшее число веществ. Метод применяют для чувствительного определения очень малых количеств элементов при анализе органических веществ, при определении малых количеств витаминов, гормонов, антибиотиков, канцерогенных соединений и др. Флуориметрию используют для определения микроорганизмов и соматических клеток.

Методика определения микроорганизмов состоит в специальной подготовке пробы, в процессе которой бактерии, содержащиеся в продукте, окрашиваются красителем в ярко-оранжевый цвет, в результате чего бактериальная суспензия приобретает способность флуоресцировать. Интенсивность флуоресценции пропорциональна числу микробов и контролируется электронным способом.

Флуориметрический метод контроля микроорганизмов достаточно универсален, имеет несложное аппаратурное оформление.

В атомной спектроскопии вещества исследуют, переведя их в состояние атомного пара – атомно-абсорбционная спектроскопия или газообразное состояние – атомно-эмиссионная спектроскопия. Метод атомной спектроскопии находит широкое применение при анализе различных видов сырья и пищевых продуктов. Метод позволяет определить около 70 различных элементов; используется для одновременного определения большого числа элементов (многоэлементарный анализ); для серийного анализа, благодаря высокой чувствительности и быстроте.

Атомно-абсорбционная спектрометрия основана на измерении поглощения электромагнитного излучения атомным паром анализируемого вещества. Измеряют фотометрически разность интенсивности излучения до и после прохождения через анализируемый образец. Прибором, позволяющим осуществить метод ААС, является

· атомно-абсорбционный спектрометр, имеющий следующие основные составные части,

· источник света определенной длины волны, характерной для исследуемого металла;

· «абсорбционную ячейку», в которой происходит атомизация пробы;

· монохроматор для выделения узкой части спектра определенной длины волны;

· фотоумножитель, который детектирует, усиливает и измеряет интенсивность результирующего светового потока;

· регистрирующее и записывающее результирующий сигнал устройство.

Источник света испускает поток луча, спектр которого характерен для определяемого элемента. Этот поток фокусируется через абсорбционную ячейку и монохроматор, где выделяется характерная для исследуемого элемента область спектра. Затем поток направляется в фотоумножитель и преобразуется в электрический сигнал. Величина последнего зависит от интенсивности поступающего в фотоумножитель светового потока и регистрируется специальным устройством.

Сравнивая результаты измерений в исследуемой пробе с результатами измерений в стандартных растворах, определяют содержание элемента в пробе.

В качестве источников излучения при определении содержания рассматриваемых металлов, как правило, используют лампы с полым катодом, являющиеся источниками линейных спектров. Катод такой лампы имеет форму полого цилиндра или стакана. Объем лампы заполнен инертным газом (неоном или иногда аргоном). Существуют многоэлементные лампы с полым катодом, например для определения содержания меди и цинка или меди, цинка, свинца и кадмия. Они бывают очень удобны. Их преимуществом является снижение затрат времени на прогрев ламп. Однако такие лампы, как правило, продуцируют излучение более низкой энергии, чем одноэлементные лампы, что в результате приводит к ухудшению чувствительности; могут возникать спектральные помехи.

В атомно-эмиссионной спектрометрии исследуют атомно-эмиссионные спектры, полученные в результате возбуждения атомов в газообразном состоянии.

Для перевода атомов в газообразное состояние и их возбуждения используют плазму, в качестве среды для получения плазмы применяют аргон. Существует два способа получения плазмы. В одном из них возбуждение происходит под действием электрических разрядов между электродами — плазма постоянного тока, а в другом— энергия высокочастотного переменного тока передается газу с по- мощью магнитной индукции — индуктивно-связанная плазма. При этом создаются высокие температуры, благодаря которым большинство атомов переходит в возбужденное состояние. Поглощение энергии такими атомами невозможно, поэтому при переходе из возбужденного состояния в основное происходит эмиссия (испускание) фотонов, интенсивность которой пропорциональна числу возбужденных атомов. Количественное определение элемента производят так же, как в атомно-абсорбционной спектрометрии.

Приборы, позволяющие осуществить метод АЭС,имеют те же основные части, что и атомно-абсорбционный спектрометр.

Спектроскопия магнитного резонанса. Масс-спектроскопия. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)изучает магнитный резонанс, возникающий в результате взаимодействия магнитного момента ядра с внешним магнитным полем. С помощью метода ЯМР можно исследовать ядра с собственным момент количества движения (спин ядра) и связанным с ним магнитным моментом ядра.

Согласно квантовой механике собственный момент количества движения (спин) ядра принимает строго определенные значения. Так как спин ядра является вектором, то он характеризуется величиной и направлением. Во внешнем магнитном поле для спина ядра возможны две ориентации: вдоль и против направления силовых линий внешнего магнитного поля. Каждому значению спина соответствует определенное значение энергии. Переориентация спина ядра с изменением направления сопровождается поглощением энергии DЕ. Такие переходы вызываются воздействием на ядро радиочастотной области электромагнитного спектра. При этом анализируемая система поглощает энергию при строго фиксированных значениях частоты v, т. е. наблюдается явление резонанса. Такое поглощение энергии измеряют экспериментально, DE прямо пропорционально напряженности магнитного поля в месте расположения ядра и определяется как DЕ= hv, где h – постоянная Планка.

Спектроскопия электронного паромагнитного резонанса (ЭПР) изучает магнитный резонанс, возникающий в результате взаимодействия магнитного момента электрона с внешним высокочастотным (микроволновым) магнитным полем. Метод ЭПР служит для исследования внутримолекулярного окружения неспаренных электронов.

Теория магнитного резонанса применима не только к ядрам, но и к электронам, поскольку последние также имеют спин и магнитный момент. В отсутствие внешнего магнитного поля спины электронов беспорядочно ориентированы, а энергия электронов одинакова. В постоянном магнитном поле магнитные моменты электронов ориентированы соответственно направлению внешнего магнитного поля. Электроны с ориентацией спинов вдоль поля находятся на высоком энергетическом уровне, электроны с ориентацией против поля — на низком, более стабильном, уровне. Если на электроны, находящиеся в однородном магнитном поле воздействовать высокочастотным магнитным полем, направление, которого перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, то при определенных соотношениях между напряженностью постоянного поля и частотой переменного поля наблюдается резонансное поглощение энергии переменного поля. Оно регистрируется на спектрометре в виде спектра электронного парамагнитного резонанса — ЭПР-спектра.При количественной оценке спектра в качестве основного аналитического параметра используют константу спин-спинового взаимодействия Масс-спектроскопия занимает особое положение среди спектроскопических методов. В строгом смысле слова этот метод не является спектроскопическим, так как вещество при анализе не подвергается воздействию электромагнитного излучения.

Масс-спектроскопия основана на изучении тока от фрагментов ионов, полученных из нейтральных молекул вещества путем воздействия на них пучка электронов.

Вещество, исследуемое методом ядерно-магнитного резонанса,помещают одновременно в два магнитных поля — одно постоянное, а другое радиочастотное. Измерение осуществляют на ЯМР-спектрометре,основными составляющими элементами которого являются: электромагнит (в простых приборах используют постоянный магнит); генератор радиочастотного излучения; датчик, в который помещают пробирку с образцом, электронный усилитель и интегратор, самописец. В ЯМР-методе используют следующие аналитические параметры: химический сдвиг, константа спин-спинового взаимодействия, интенсивность сигнала, время релаксации.

Метод электронного парамагнитного резонанса основан на измерении поглощения веществом энергии внешнего магнитного поля. Метод ЭПР применяют для анализа всех соединений, содержащих неспаренные электроны, независимо от их агрегатного состояния. Область применения определяется конструкцией кюветы. ЭПР является одним из самых чувствительных методов, предел чувствительности составляет10 «моль/л.

Масс-спектрометрия основана на получении ионов из нейтральных молекул путем воздействия на них пучком электронов, обладающих энергией, достаточной для ионизации. При этом, главным образом, образуются положительные ионы, которые могут распадаться на отдельные фрагменты. Регистрируемая завис мость ионных токов от массы отдельных фрагментов называется масс-спектром. Молекула, возбужденная в результате взаимодействия с электроном (с энергией более 10з кДж/моль), распадается с образованием положительного молекулярного иона и электрона (ионизация).

В большинстве случаев молекулярный ион обладает значительной внутренней энергией и быстро распадается далее с образованием заряженных и незаряженных фрагментов (фрагментация).

Осколочные ионы, в свою очередь, могут распадаться с образованием новых фрагментов. В некоторых случаях фрагментация сопровождается перегруппировками. Процесс фрагментации молекулярных ионов происходит до тех пор, пока не образуют ионы, внутренней энергии которых недостаточно для их дальнейшего превращения. Масс-спектрометры работают при высоком вакууме, что сводит к минимуму нежелательные межмолекулярные реакции и, кроме того, благоприятствует внутримолекулярной фрагментации.

Масс-спектр представляет собой спектр линий положительно заряженных ионов. Несмотря на то что реальной связи между масс-спектрометрией и оптической спектрометрией не существует, оба метода называют спектрометрическими из-за формального сходства графических изображений спектров.

Метод масс- спектрометрии применяют в научно-исследовательской практике для идентификации соединений и установления строения неизвестных веществ, точного определения молекулярной массы, определения элементарного состава, анализа следовых количеств биологически активных соединений, определения аминокислотной последовательности пептидов, анализа многокомпонентных смесей и т.п.

Macс -спектральный анализ основан на способности газообразных ионов разделяться в магнитном поле в зависимости от отношения m/е, где m — масса, е — заряд иона. Ионизация молекул в газе происходит под действием потока электронов. По величине m/е определяют массовое число иона, а по интенсивности соответствующего сигнала судят о концентрации ионов.

Качественный масс-спектральный анализ основан на измерении массы ионов. Идентификация масс поводится по положению линии на фотопластинке, которое фиксируют, измеряя расстояние между линиями с известной массой и анализируемой линией.

Количественные измерения в масс -спектрометрии проводят по току, фиксируемому детектором, или по почернению фотопластинки. В первом случае расчеты основаны на том, что пик ионного тока I пропорционален содержанию компонента или его парциальному давлению:

Где k, c — коэффициенты пропорциональности; с — концентрация; р — давление.

Понятие о спектральном анализе

До этого момента мы с вами занимались измерением интегральных оценок вибрационных сигналов, таких как общий уровень или уровень в полосе. Эти оценки давали нам представление о суммарной колебательной энергии процесса, сосредоточенной в выбранной полосе частот. В целом ряде задач вибродиагностики этого вполне достаточно, но для точной идентификации источников колебаний желательно иметь полное представление о колебательном процессе т.е. его спектр[23]. Для иллюстрации этого утверждения мы приведем вам следующий пример. Представьте себе, что вы наблюдаете за приближающейся группой людей. Сначала вы можете только констатировать тот факт, что вы видите людей. По мере приближения группы вы начинаете различать отдельные фигуры и уже в состоянии определить их число. Наконец, когда они подойдут к вам достаточно близко, вы сможете определить их пол или даже узнать в них своих знакомых. Этот пример показывает, что по мере увеличения подробностей, которые вы имеете при наблюдении, вы можете все точней идентифицировать наблюдаемый объект или явление.

В спектральном анализе исследуются периодические модели вибрации. Цель анализа – разложить сложное колебание (Рис. 58) с циклическими компонентами (поскольку силы, вызывающие вибрацию, преимущественно состоят из периодических составляющих, к которым подмешен широкополосный шум) на несколько основных гармоник с определенными частотами, на которых сосредоточен максимум энергии колебаний. В результате спектрального анализа можно обнаружить всего несколько повторяющихся циклов различной частоты в интересующих вас сигналах, которые, на первый взгляд, выглядят как случайный шум.

Спектры графически представляются в виде зависимостей амплитуды гармонических составляющих вибрации от их частоты (Рис. 59). Спектры бывают дискретными и непрерывными. Дискретный спектр содержит небольшое число отдельных гармонических составляющих, имеющих достаточно большую амплитуду. В непрерывном спектре мы видим плавно меняющуюся, непрерывную зависимость амплитуды колебания от частоты.

Для того, чтобы выполнить спектральный анализ используют специальные приборы — виброанализаторы. Большинство цифровых анализаторов для получения спектров используют Быстрое Преобразование Фурье (БПФ). БПФ работает с выборками сигнала,

равными по длине 2 n , где n — целое число. Обычно п равно 9-11, т.е. длина выборок равна 512 — 2048 отсчетам. Выборки такой длины позволяют разбить анализируемый частотный диапазон на 200 — 800 полос. Все гармонические составляющие, попадающие в каждую из полос, будут приводиться к некоторому среднему значению, отражаемому на спектре. Таким образом, разрешение (точность) r [Гц/лин] спектрального анализа определяется как отношение верхней анализируемой частоты fв[Гц] к числу полос спектрального анализа N [Лин].

Рассмотрим пример. Пусть нам нужно получить спектр сигнала, верхняя частота которого равна fв =100 Гц. разрешение анализа r=0.5 Гц/лин., или, что тоже самое, 200 линиям в спектре. Тогда для наших приборов F[24]=256 Гц, длина выборки должна быть N=512 точек: время одного цикла измерения составит Т=512*1/256=2 секунды. Этот пример показывает, что не стоит увлекаться повышением точности спектрального анализа. Во-первых, это приводит к увеличению времени измерения (в нашем примере оно составляет 2 секунды только для одного измерения, добавьте к этому время настройки АРУ и усреднения и вы получите достаточно приличное время измерения) это относится к любому анализатору. Во-вторых, точность 0.5 Гц/лин достаточна для решения практически всех задач вибродиагностики. Все же, если вам необходимо сократить время измерения, то для этого существуют два способа, увеличить верхнюю частоту анализа или уменьшить число линий в спектре (понизить разрешение анализа).

Понятие о спектральном анализе

Оценка состояния агрегатов с использованием спектрального анализа

В линейных механических системах, с которыми мы имеем дело, частота возмущающей силы совпадает с частотой реакции системы на эту силу. Этот факт позволяет нам идентифицировать источник вибрации.

Большинство дефектов имеют жесткую связь с частотой вращения роторов агрегата и (или) режимами его работы. Исследуя зависимость изменения спектрального состава вибрации от вышеупомянутых факторов, и сравнивая ее с вибрацией нормального[25] агрегата, можно сделать вывод о причинах повышенной вибрации. При этом нужно учесть один немаловажный факт.

Механическая система похожа на фильтр, имеющий полосы пропускания и среза. Гак, обычная масса на пружине имеет один резонанс, определяемый жесткостью пружины и величиной массы. В дорезонансной области рассмотренная система обладает высокой чувствительностью к возмущающей силе, а в зарезонансной она существенно ослабляет возмущающую силу. По сути, масса на пружине является низкочастотным фильтром. Поэтому изменение вибрации агрегата может быть вызвано двумя факторами: изменением возмущающих сил Р(1) или отклонением механических свойств агрегата Н(г) (в нашем примере, жесткости пружины). Мы с вами имеем вибродиагностическую задачу, в которой нам известна контурная вибрация g(t), по которой мы должны определить и устранить источник вибрации (силу). Очевидно, что эта задача не имеет однозначного решения. Поэтому для получения достоверных результатов при диагностике нужно учитывать это. Механические свойства системы или ее передаточная функция Н(f) может быть определена при помощи записи зависимости вибрации оборотной частоты от частоты вращения агрегата на выбеге (скоростной). По сути, скоростная характеристика и есть передаточная функция, полученная при воздействии на машину дисбалансов, неизбежно присутствующих на машине.

Итак, что же такое модуляция? Модуляция это изменение по заданному закону во времени величин, характеризующих колебательный процесс. Мы с вами знаем три основных величины, характеризующих колебание. Это частота, амплитуда и фаза. В механике наибольшее распространение получила именно амплитудная модуляция. При амплитудной модуляции в уравнении гармонического колебания амплитуда так же является функцией времени. Необходимым условием амплитудной модуляции служит существенное отличие по частоте модулирующей функции от частоты «несущей[26]». Частота несущей должна быть во много раз больше частоты модулирующей функции.

Другие виды модуляции сигнала изображены на Рис. 63. Хочется обратить особое внимание на один из видов фазовой модуляции вибросигнала, возникающий при биениях. Биениями называют почти гармонические колебания, амплитуда А(1) является колеблющейся функцией времени с квазипериодом, большим по сравнению с квазипериодом 2p/w несущего колебательного процесса. В простейшем случае биения можно получить при наложении двух гармонических колебаний с близкими частотами w1 и w2 (Рис. 64):

Понятие об огибающей

В машинах возникает ряд вибрационных процессов, сопровождающихся колебаниями энергии. Другими словами, колебательный процесс может иметь непостоянную амплитуду вибрации. Примером таких процессов могут служить биения. Биения возникают при сложении вибрации машин, имеющих несколько отличающиеся друг от друга частоты вращения (1-2 Гц), при условии их плохой виброизоляции друг от друга.

На Рисунке 65 показана вибрация 50 Гц машины при наличии биений, в разных масштабах времени и вибрация машины при отсутствии биений. На рисунках хорошо видно, что вибрационный процесс имеет переменную амплитуду колебаний или так называемую «огибающую».

Подобные нестационарные вибрационные процессы могут возникать и по другим причинам Наиболее яркий пример — возникновение амплитудной модуляции в подшипнике качения при наличии подвижных дефектов. При вращении дефект поочередно проходит то через нагруженную зону (вибрация возрастает), то через разгруженную (вибрация уменьшается). Амплитудная модуляция возникает также, например, в зубчатой передаче. В ней, при вращении, возникает амплитудная модуляция частоты зацепления оборотными частотами шестерни и колеса (при наличии на них дефектов).

Ясно, что для того, чтобы исследовать огибающую вибросигнала, нужно прибегнуть помощи специальной технологии ее выделения. Суть технологии заключается в следующем. В сложном вибрационном сигнале выделяется узкая полоса частот, ширина которой обычно составляет 1/3 октавы[27] (f2/f1»1,26). Необходимость такой фильтрации объясняется тем, что нужно настроится на вибрацию, вызываемую интересующим нас дефектом.

Для пояснения этого факта уместна следующая аналогия. Настройка на дефект происходит также как на радиостанцию в приемнике. В эфире (вибрация машины) присутствуют одновременно сигналы от множества радиостанций (различные источники вибрации), и если мы будем принимать их одновременно, то, очевидно, что мы ничего не сможем разобрать в принимаемой информации. Но если мы настроимся на конкретную частоту, на которой вещает интересующая нас станция «диагностируемый дефект), то без труда сможем обнаружить ее и насладится любимой музыкой (определить степень развития дефекта).

После выполнения третьоктавной фильтрации, из высокочастотного вибрационного сигнала выделяют огибающую с помощью процедуры детектирования (от лат. detection – обнаружение). Для этого сигнал выпрямляют и подвергают низкочастотной фильтрации.

Низкочастотная фильтрация нужна для устранения высокочастотных пульсаций от несущей частоты. На Рис. 66 сверху показаны колебания с амплитудной модуляцией на входе детектора, а снизу представлен выпрямленный сигнал и сигнал, прошедший через фильтр низких частот.

На заключительном этапе выделения огибающей устраняют постоянную составляющую вибрации, которая равна среднему значению уровня вибрации в анализируемой полосе частот. Далее сигнал подвергают обычной обработке измеряют его пик-фактор, или определяют его спектральный состав.

Последовательность выделения огибающей сигнала представлена на Рис. 67.

Понятие о неуравновешенности

Настал черед поговорить о балансировке. Так что же это такое. Классическое определение балансировки гласит: балансировка это уравновешивание (устранение дисбаланса) вращающихся частей машин. Дисбаланс (от дис[28]. и баланс[29]), в свою очередь, есть неуравновешенность вращающихся частей машин, она возникает при несовпадении оси, проходящей через центры опорных поверхностей цапф изделия, с его главной центральной осью инерции (в большинстве случаев — это ось симметрии ротора). Более правильным на наш взгляд, было бы называть балансировку компенсацией дисбалансов, так как, при балансировке мы не устраняем исходные дисбалансы, ведь почти всегда их положение на роторе остается неизвестным, а компенсируем их влияние на вибрацию ротора корректирующими массами, устанавливаемыми в плоскости коррекции. Давайте подробнее поговорим о дисбалансе. Дисбаланс D[г·мм] равен произведению неуравновешенной массы т на расстояние от оси вращения до этой массы. Это расстояние называют радиусом r установки дисбаланса. Одинаковые дисбалансы дадут маленькая масса, установленная на большом радиусе и большая масса, находящаяся на маленьком радиусе. При вращении ротора на дисбаланс будет действовать центробежная сила Fц. Она пропорциональна квадрату угловой скорости вращения ротора.

Для того чтобы ротор при вращении находился в динамическом равновесии, центробежная сила должна быть компенсирована силами действующими со стороны опор(реакциями в опорах). Реакции в опорах будут обратно пропорциональны расстояниям от опор плоскости, до плоскости в которой вращается дисбаланс. При установке дисбаланса в середину симметрично ротора при его вращении в опорах возникнут силы равные половине центробежной силы действующей на дисбаланс. Эти силы и вызывают вибрацию опор вращающегося неуравновешенного ротора. Очевидно, что вибрация опоры зависит от ее жесткости и частоты вращения ротора. Если частота вращения ротора совпадет с резонансной частотой опоры, то возникнет резонанс. Далее при незначительном дисбалансе при резонансе опора будет иметь высокую вибрацию. На практике на роторе находится большое число дисбалансов. Вибрация опоры складывается из воздействий, вызываемых каждым из дисбалансов, имеющихся па роторе. Поскольку все дисбалансы расположены в разных угловых положениях и на разных расстояниях от опоры, то при сложении колебаний мы это должны учесть. При измерении вибрации опоры мы имеем результирующий (суммарный) вектор оборотной частоты, в котором автоматически учтены все описанные выше факторы. Еще раз обращаем ваше внимание на то, что гармоническая составляющая вибрации ротора, вызванная дисбалансом, всегда имеет частоту вращения ротора. Задача балансировщика заключается в отыскании по результатам измерений вибрации опор агрегата величины и места установки дисбалансов, которые компенсируют исходную вибрацию опор. Другими словами, система корректирующих масс на роторе должна вызывать вибрацию опор равную исходной и противоположно направленную.

Дисбаланс неизбежно возникает при изготовлении, ремонте и эксплуатации роторов Симметричные детали имеют дисбаланс из-за отклонений от осевой симметрии при изготовлении неоднородности материала. Пазы на роторах имеют отклонение по длине, глубине и ширине Насадные детали роторов, расположенные на диаметрально противоположных сторонах, несколько: отличаются друг от друга по массе и форме. Посадка на ротор деталей с натягом, особенно больших также вызывает дисбаланс вследствие искривления оси вала. Если есть посадочные зазоры, то опять таки мы имеем дисбаланс из-за неоднозначности положения детали в пределах зазора.

Каждый электрик должен знать:  Проводниковые материалы

В процессе эксплуатации машины также может возникнуть дисбаланс, причиной которого, например, служит поломка лопаток или отложение солей и эрозионный износ ротора и т. д.

Существуют два основных типа неуравновешенности — статическая и моментная. Если они оба присутствуют на роторе, то мы получаем общий случай, который называется динамической неуравновешенностью. При статической неуравновешенности ротора его главная центральная ось инерции параллельна оси вращения ротора, но находится на некотором расстоянии е от нее. Это расстояние называется эксцентриситетом.

Статическая неуравновешенность может быть устранена балансировкой на ножах. Центр масс ротора, находящийся на окружности радиуса е, стремиться переместится в ее нижнюю точку, в которой наступит равновесие сил реакции опор, направленных по вертикальным прямым, проходящим через ось вращения и силы от действия веса, приложенной в центре масс ротора.

При моментной неуравновешенности ось инерции ротора пересекается с осью вращения в центре масс ротора. При этом, центр масс ротора находится на оси вращения. Поэтому моментная неуравновешенность не обнаруживается, при статической балансировке. В случае динамической неуравновешенности оси инерции и вращения непараллельные и не пересекаются (другими словами они перекрещиваются).

Для того, чтобы оценить вклад от того или иного типа неуравновешенности, пользуются следующим правилом: полусумма оборотной составляющей вибрации в опорах дает нам вклад от статической неуравновешенности, а полуразность — от моментной.

Действительно, симметричная составляющая вибрации оборотной частоты соответствует параллельному смещению главной центральной оси инерции ротора. Половина разности вибрации опор дает кососимметричную составляющую вибрации, которая соответствует чисто моментной неуравновешенности.

Условия успешной балансировки

Технология динамической балансировки базируется на нескольких предположениях, которые должны выполняться при постоянной частоте вращения ротора:

• Вибрация оборотной частоты должна быть стабильной во времени и повторяться от пуска к пуску.

• Механическая система должна быть линейна, т.е. приращение дисбаланса вызывает пропорциональное изменение вибрации опор.

• Сдвиг фазы между вызываемой дисбалансом центробежной силой и виброперемещением от этой силы постоянен (не зависит от положения дисбаланса).

Постоянная частота вращения необходима, для того, чтобы центробежные силы, действующие на дисбалансы, были одинаковыми (известно, что центробежная сила пропорциональна квадрату частоты вращения ротора). Постоянство вибрации опор свидетельствует о том, что ротор термически стабилен (прогрет), на нем нет незакрепленных частей, которые могут «болтаться» и занимать от пуска к пуску различные положения на роторе. Линейность механической системы (т.е. нашей машины), нужна для того, чтобы наш метод балансировки давал точные результаты. В противном случае данные пробных пусков не позволят с удовлетворительной точностью уравновесить ротор. Проверить линейность достаточно просто. Для этого при выполнении пробных пусков понаблюдайте за изменением вибрации опор при установке разных масс в одно и тоже место. Пробная масса, увеличенная вдвое, должна давать увеличение изменения вибрации также в два раза. Постоянный сдвиг фазы характеризует также линейность механической системы. Убедится в постоянстве фазы можно воспользовавшись следующим: при изменении угла установки одного и того же груза, фаза оборотной составляющей вибрации должна также отличаться на постоянный угол.

Понятие о коэффициентах влияния

Мы с вами уже знаем, что вибрация опор зависит от величины дисбаланса, его расположения на оси ротора, частоты вращения вала и жесткости опор. При практической работе специалисту необходимо учитывать все эти факторы. Существует метод, который позволяет решить эту проблему, достаточно легко. Суть этого метода заключается в проведении испытаний агрегата, при которых определяют коэффициенты, которые учитывают влияние всех описанных выше факторов от калибровочной массы, установленной в выбранном месте на роторе, на вибрацию опор. В дальнейшем, при балансировке, используют эти коэффициенты для определения места установки и величины корректирующих масс. Эти коэффициенты мы будем называть коэффициентами влияния.

Прежде чем продолжить нашу беседу, имеет смысл договориться об определенной терминологии, которая формализует наши дальнейшие рассуждения. Балансировочной массой будем; называть массу, которую нужно установить на вал, чтобы снизить вибрацию опор ротора до значений, допускающих продолжительную эксплуатацию агрегата. Будем нумеровать их нижним индексом, соответствующим номеру плоскости, в которую мы ее устанавливаем. Плоскостью коррекции будем обозначать плоскость, перпендикулярную оси вращения, в которой мы планируем установить балансировочную массу. Плоскости коррекции нумеруем римскими цифрами в нижнем индексе. Пробной массой будем называть калибровочную массу, используемую при определении балансировочных коэффициентов влияния для выбранной плоскости коррекции. Обозначим ее также как балансировочную массу. Нулевым пуском будем называть данные исходной вибрации опор. Для обозначения нулевого пуска используем нижний индекс «». Оборотную составляющую вибрации опор обозначим прописными латинскими буквами А и В. Так, вибрация, измеренная нулевом пуске в опоре А, будет обозначаться как А, и соответственно в опоре В через В. Напоминаем: оборотная составляющая вибрации опоры определяется ее амплитудой и начальной[30] фазой. И как следствие, при проведении этих измерений необходим отметчик. Пробным пуском будем называть пуск с установленной в выбранной плоскости коррекции пробной массой. Число пробных пусков соответствует числу используемых при балансировке плоскостей коррекции. Номера пусков будем использовать в качестве индексов измеренной на данном пуске вибрации. Обычно номер пуска совпадает с номером плоскости коррекции, в которой установлен пробный пуск. Балансировочным пуском будем называть пуск, с установленными рассчитанными по коэффициентам влияния балансировочными грузами.

Очевидно, что для плоскости коррекции коэффициентов влияния будет столько, сколько направлений для измерения вибрации мы выбрали. Обычно берется по одному направлению (вертикальному) в каждой опоре, т.к. вибрация в опоре в различных направлениях обычно линейно зависима (при условии того, что она вызвана неуравновешенностью). Следовательно, общее число коэффициентов влияния будет равно произведению числа опор машины на число используемых плоскостей коррекции. Для нахождения коэффициента влияния выбранной плоскости коррекции на нужную опору необходимо разделить изменение вибрации в опоре, вызванное этим грузом на его массу.

Другими словами коэффициент влияния представляет собой вибрацию опоры (мкм) от установки единичной массы (один грамм) в выбранной плоскости коррекции в угол равный нулю. Коэффициенты влияния имеют размерность [мкм/г] и обозначаются альфой с двумя нижними индексами (aIА), первый из которых представляет собой номер плоскости коррекции (I), а второй — опору (А), на которую он оказывает влияние, коэффициент влияния является комплексным числом.

Понятие о коэффициентах влияния

Давайте посмотрим, как балансируемый ротор реагирует на пробный груз. Сначала представим себе машину с идеально уравновешенным ротором. При его вращении никакой вибрации в опорахнет. Пусть теперь мы установили некую массу в одну из плоскостей коррекции (Рис. 74). Что произойдет в этом случае? Очевидно, что в опорах возникнет вибрация. Значение вибрации полностью определяется величиной и местом установки нашей «пробной» массы. Амплитуда вибрации опор равна произведению модуля соответствующего коэффициента влияния и установленной массы, а фаза определяется как сумма фаз места установки пробного груза и фазы коэффициентов влияния. Эту вибрацию будем называть «вектором влияния пробного груза».

Передвигая пробную массу против направления вращения (Рис. 75), мы будем увеличивать фазу вектора влияния. Причем, фаза вектора влияния должна увеличиваться на угол, равный углу перемещения пробного груза. При этом амплитуда вибрации не меняется.

А теперь давайте посмотрим, что будет происходить с вибрацией машины, ротор которой имеет дисбалансы (Рис. 76). Дисбалансы проявляют себя в виде некоторой результирующей вибрации в опорах. При установке нашего пробного груза вибрация, очевидно, изменится.

Изменение вибрации будет определяться суммой исходной вибрации ротора и вибрацией, которая у нас возникала при установке пробного груза на идеально уравновешенном роторе. Ясно что, перемещая нашу массу против направления вращения, мы заставим поворачиваться вектор влияния против часовой стрелки, а вектор исходной вибрации при этом меняться не будет. Если мы повернем пробную массу на угол, противолежащий вектору суммарной вибрации опоры, а величину пробного груза изменим таким образом, чтобы длина вектора влияния совпадала с длинной вектора исходной вибрации, то мы сможем компенсировать вибрацию опоры установкой этой массы.

Особенности измерения вибрации при балансировке

Для выполнения балансировки необходимо правильно измерить амплитуду и фазу оборотной составляющей вибрации. Суть замера заключается в следующем. Из вибрационного сигнала с помощью фильтров выделяют оборотную гармонику. Для этого используют синхронизирующий сигнал (чтобы точно определить частоту вращения ротора). Источником таких сигналов может служить, например лазерный отметчик, который формирует один импульс за один оборот исследуемого ротора. Принцип действия отметчика очень прост. В отметчике вмонтированы лазерный свето- и фотодиод, имеющие общую оптическую ось. Специальная метка[31], нанесенная на ротор, отражает падающий на нее лазерный луч в обратном направлении. На поверхности ротора, в удобном месте наносится специальная метка, отметчик устанавливается напротив метки. При прохождении метки под отметчиком, в нем формируется короткий[32] импульс. Этот импульс жестко привязан к определенному месту (углу) на поверхности ротора, и дает нам один импульс за один оборот ротора. Для дальнейшего описания принципа измерения нужно рассмотреть несколько рисунков:

На верхнем рисунке (Рис. 77) представлен исходный вибрационный сигнал, измеренный на опоре, состоящий их первой и второй гармоник оборотной частоты, к которым добавлен широкополосный шум. На рисунке показаны три периода (или оборота) ротора.

Второй рисунок показывает синхронизирующий сигнал с отметчика. Горизонтальная черта на рисунке показывает уровень запуска отметчика. Третий рисунок иллюстрирует отфильтрованный сигнал оборотной частоты, а соответственно j — начальную фазу колебания. Амплитуда гармоники соответствует максимальному значению колебания на обороте. Начало оборота «0°» соответствует прохождению передней кромки метки через луч лазерного отметчика. Обычно метка ставится в радиальной плоскости ротора, которая содержит какие-либо конструктивные особенности, например шпоночную канавку, последнее требование выполнять не осязательно, но желательно. Оно вызвано тем, чтобы вы ставили метку всегда в одно и тоже место (ведь при плохом креплении метка может отлететь).

Фаза вибрации будет соответствовать определенному угловому положению ротора. Углы отсчитываются на роторе от передней кромки метки против направления вращения вала. Для удобства отсчета фазы, на роторе имеет смысл нанести метки через одинаковые интервалы например, через 10°. На облопаченных роторах для этих целей удобно использовать в качестве меток лопатки, предварительно пронумеровав их. При этом метка совмещается с одной из лопаток. Угол между лопатками определяется делением длинны окружности (360°) на число лопаток.

Отметчик должен располагаться вертикально. Датчики также обычно ставят вертикально. При невозможности установки датчиков и отметчика в одной необходимо пользоваться фазовой поправкой.

Для определения поправки нужно рассмотреть следующий рисунок (Рис. 78).

На нем изображены красным цветом отметчик (вертикальный прямоугольник) и метка (точка на роторе), и синим, соответственно, датчик и неуравновешенна масса («тяжелое место»). Если отметчик и датчик вибрации стоят в одной радиальной плоскости (например, вертикально), то тяжелое место будет проходить под датчиком одновременно с меткой и фаза вибрации будет равна 0° (левый верхний рисунок). Пусть теперь масса сдвинута на 90° от метки (углы отсчитываем против направления вращения ротора). Тогда тяжелое место будет проходить под датчиком спустя четверть оборота поен метки, и мы определим истинную фазу (1/4 оборота — 90°) вибрации (правый верхний рисунок). Предположим теперь (нижний рисунок), что датчик установлен на 90° позже отметчика (угол в данном случае считаем по направления вращения!). Фаза измеренная прибором будет равна 180° (. ), хотя расположение массы и метки на роторе не изменилось. Чтобы учесть такое расположение датчика и отметчика нам необходимо ввести фазовую поправку. Фазовая поправка вычитается из показаний фазы вибрации и отсчитывается от датчика к отметчику против направления вращения. На самом деле, если вы не собираетесь использовать коэффициенты влияния повторно, то. даже не учитывая фазовую поправку (пологая ее равной 0), вы все равно сможете отбалансировать ротор.

Давайте теперь поговорим о статической балансировке. Наверно вы привыкли к тому, что статическая балансировка производится на ножах, т.е. фактически ротор для определения величины статической неуравновешенности даже не крутят, а определяют тяжелое место просто по угловому положению ротора, находящегося в равновесии. Очевидно, что такой метод не подходит даже для точной статической балансировки. При вращении ротора можно с гораздо более высокой точностью определить величину и место статической неуравновешенности.

Давайте обсудим случаи, в которых имеет смысл выполнять только статическую балансировку. Во-первых, такой способ устранения дисбаланса эффективен при балансировке тонких массивных дисков, насажанных на тонких длинных валах. Во-вторых, он подходит для машин, работающих на частотах, гораздо ниже своей первой резонансной частоты.

Прежде чем начать балансировку, давайте поговорим о выборе места расположения плоскости коррекции и измерительных точек. Ясно, что для выполнения статической балансировки

достаточно выбрать только одну плоскость коррекции. Напомним, что статическая неуравновешенность вызывает плоское, параллельное смещение оси инерции относительно оси вращения. Для того, чтобы вернуть ось инерции на ось вращения достаточно приложить одну силу (т.е. воспользоваться одной плоскостью коррекции). Желательно располагать эту плоскость коррекции поближе к центру масс ротора. По той же причине вибрация на опорах будет одинаковой, так что выбираем наиболее удобное место для измерений. Но направление измерений все равно должно совпадать с направлением установки отметчика (желательно вертикальное, в этом направлении, как правило, жесткость опоры выше).

Далее, проверяем выполнение всех описанных выше требований к линейности, постоянству частоты вращения, к стабильности вибрации и т.п. Клеем метку, размечаем углы на роторе, запускаем машину и настраиваем отметчик. Процедура настройки отметчика может происходить в двух режимах: ручном и автоматическом. Для автоматической настройки отметчика на приборе достаточно запустить эту процедуру нажатием одной клавиши (см. инструкцию к прибору). В случае, если по каким-либо причинам,

Вас не устраивает автоматическая настройка отметчика, то можно воспользоваться ручной регулировкой уровня запуска прибора. Для ручной регулировки порога запуска пользуйтесь клавишами стрелки «вверх» и «вниз», при этом визуально контролируйте положение порога запуска на осциллограмме сигнала отметчика. В случае, если на форме сигнала отметчика отсутствуют синхроимпульсы[33] проверьте правильность установки отметчика. Отметчик должен быть установлен таким образом, чтобы при медленном прохождении метки через луч отметчика наблюдалось свечение контрольного светодиода, расположенного на боковой поверхности отметчика. На этом вся подготовительная работа окончена.

Следующий этап в нашей работе — непосредственно балансировка. Выполняем нулевой пуск. Снимаем амплитуду/фазу первой гармоники в мкм (размах!). Несмотря, на то, что мы в процессе балансировки будем пользоваться результатами измерения вибрации только в одной точке, все равно контролируем вибрацию по всем остальным направлениям (вертикальное, поперечное, осевое на каждой опоре). Рисуем на векторной диаграмме исходную вибрацию. Обозначим ее А. Останавливаем машину и устанавливаем пробный груз. Стоп, а как же его выбрать? Оказывается, готовых рецептов не существует. Что касается фазы установки пробной массы, то здесь все относительно просто. Масса ставится в так называемое «нейтральное» место, оно называется так, потому, что при установке в это место вибрация не должна резко вырасти.

Это место располагается на радиусе, перпендикулярном фазе вибрации опоры. Кстати, а как вы думаете, фаза вибрации опор в одинаковых направлениях (например, в вертикальном) должна быть в фазе или нет? Правильно, в фазе. Итак, фаза установки пробного груза определяется как фаза вибрации опоры ±90°. Но, вернемся к выбору массы. Величина пробной массы определяется несколькими факторами, такими как величина коэффициентов влияния выбранной плоскости на опоры и уровня исходной неуравновешенности. Поскольку ни первое, ни второе нам неизвестно, то наверняка, величину пробного груза нам сразу не угадать. Ее придется подбирать с тем расчетом, чтобы влияние пробной массы на вибрацию опор было ощутимым. Другими словами, маленькая масса не сможет вызвать ощутимого изменения вибрации, а большая наоборот, вызовет большое изменение, и первое и второе для нас плохо. Малый вес пробного груза даст в наших расчетах большую погрешность, а большой – может привести к появлению нелинейных эффектов в вибрации. Обычно поступают следующим образом: («берут дисбаланс [г*мм], приблизительно равный 20% от произведения массы ротора [кг] на максимальную по всем направлениям вибрацию опоры [мкм]).

После успешного пробного пуска запишем получившуюся вибрацию А] и нанесем ее на нашу векторную диаграмму. Теперь нам нужно провести несколько расчетов. Сначала мы должны определить разность А1–А, а затем определить коэффициент влияния a=(А1)/Р (Р — пробный груз). Теперь мы с вами знаем коэффициент влияния, с его помощью мы найдем балансировочную массу. М=-А/a. Знак минус у исходной вибрации взят неслучайно, мы подбираем корректирующую массу таким образом, чтобы исходная вибрация была равна и противоположно направлена вибрации от балансировочной массы. Типичная ошибка в расчете — неправильно берется –А. Вместо того, чтобы изменить фазу вектора А на противоположную (т.е. вычесть 180°) обычно! расчете берут отрицательный модуль (!) вибрации. Важно также следить за тем, чтобы ради» установки пробной и корректирующих масс был одинаковым.

Ну что же, масса найдена и установлена. Делаем контрольный пуск. Его задача оценить остаточную неуравновешенность и при необходимости, провести дополнительный балансировочный пуск. Оценка остаточной неуравновешенности будет предметом отдельной беседы. Что касается дополнительного балансировочного пуска, то, при его необходимости, используют готовый (уже рассчитанный) коэффициент влияния и вибрацию контрольного пуска, по ним рассчитывают дополнительную балансировочную массу. Причем, первую балансировочную массу, установленную ранее оставляют на своем месте.

Ну что ж, осталось. поговорить о динамической балансировке. В отличие от статической балансировки, в; которой мы использовали одну плоскость коррекции, здесь мы будем работать с двумя плоскостями. Чтобы устранить моментную неуравновешенность, т.е. создать компенсирующий момент, необходимо иметь минимум две плоскости коррекции. Динамическая балансировка позволяет полностью (в известных рамках) устранить вибрацию опор. Она эффективна для большинства роторов, работающих между своими первой и второй резонансными частотами опор. В более сложных случаях пользуются специальными методами балансировки, о которых в этом курсе мы говорить не будем. Выбор плоскостей коррекции на агрегате обычно заранее предрешен конструктором. В конструкцию ротора закладываются две плоскости, конструктивно содержащие места под установку корректирующих масс. Обычно они расположены на торцевых плоскостях бочки электродвигателя или, скажем, на крайних дисках компрессора и т.д. Если нужно выбрать плоскость самому, то пользуются следующим правилом. Коэффициенты влияния, определяемые для выбранных плоскостей коррекции должны разделяться. Другими словами они должны отличаться друг от друга. Это необходимо для того, чтобы машина чувствовала разницу между плоскостями коррекции. Ведь, если коэффициенты влияния одинаковые, то это формально означает, что плоскость коррекции одна и та же.

А отсюда следует, что убрать динамическую неуравновешенность этими плоскостями не получится. Нужно подобрать другие плоскости коррекции.

Поскольку нам нужно при балансировке использовать две плоскости, то общее число пробных пусков увеличится. Их должно быть три. Первый — нулевой, в нем мы обязательно должны использовать вибрацию обоих опор. Во время второго пуска, с пробным грузом в первой плоскости, мы определяем изменение вибрации от пробного груза в обоих опорах. Это необходимо потому, что в отличие от статической, коэффициенты влияния плоскости коррекции на разные опоры будут сильно отличаться друг от друга. По окончании измерений нужно не забыть снять пробный груз из первой плоскости. Третий пуск нам позволит определить коэффициенты влияния для второй плоскости коррекции.

Об выборе величины пробного груза мы говорили с вами в разделе, посвященном статической балансировке, там же мы обсудили как размечать углы на роторе, установить датчик и отметчик, поэтому не будем здесь подробно на этом останавливаться. Из-за того, что вибрацию нужно контролировать в обоих опорах, то датчик последовательно переставляется с опоры на опору.

Рассмотрим подробно последовательность измерений:

• Выполняем нулевой пуск, в результате имеем исходную вибрацию опор А и В.

• Устанавливаем пробный груз в первую плоскость Р1 и снова измеряем вибрацию опор А1 и В1

• Вычисляем изменение вибрации в опорах, вызванное установкой пробного груза Р1

• Рассчитаем коэффициенты влияния первой плоскости на опоры А и В:

• Снимем пробный груз с первой плоскости коррекции и установим его во вторую плоскость. Обозначим его РII.

• Выполним второй пробный пуск, измерим вибрацию в опорах А и В.

• Рассчитаем изменение вибрации в опорах относительно нулевого пуска:

• Определим коэффициенты влияния второй плоскости коррекции на опоры:

Удалим второй пробный груз.

После того, как мы определили все четыре коэффициента влияния, нужно с их помощью подобрать необходимые балансировочные массы М, для обеих плоскостей коррекции. Составим уравнения, которые помогут это сделать. Так как нам известны коэффициенты влияния, или другими словами вклад в вибрацию опор от плоскостей коррекции, то мы можем составить уравнения, определяющие вибрацию в каждой опоре. Для опоры А это уравнение будет иметь вид:

где εА— остаточная вибрация в опоре А. Аналогично, для второй опоры (В):

Задача балансировки состоит в минимизации остаточной вибрации е в обоих опорах. Объединив эти векторные уравнения в систему, и учитывая, что остаточная вибрация ε, должна быть равна нулю, получим:

• Теперь мы должны решить систему из двух векторных уравнений (*). Решение системы нам даст искомые балансировочные массы для каждой плоскости коррекции. Обычно решение это системы выполняется с помощью балансировочной программы, встроенной в анализатор вибрации. Поэтому, подробно на способе решения этой системы мы останавливаться не будем.

• Устанавливаем балансировочные массы в соответствующие плоскости коррекции и выполняем контрольный пуск. Вибрация, полученная при контрольном пуске А3 и В3, может использоваться для расчета дополнительных балансировочных масс с помощью уравнений (*). В правую часть которой вместо исходной вибрации А и В подставляют вибрацию, полученную при контрольном пуске А3 и В3.

• Проведем добалансировку при помощи дополнительных балансировочных масс. При эта массы, установленные перед контрольным пуском мы оставляем на роторе.

Обращаем ваше внимание, на то, что не всегда имеется возможность устанавливать корректирующие массы, иногда имеет смысл с противоположной стороны места установки (180°) корректирующего груза удалить такую же массу.

Оценка допустимой остаточной неуравновешенности

Одина из проблем любой балансировки связана с принятием решения об ее окончании. Затраты на балансировку с повышением ее точности растут достаточно быстро, а экономический эффект от высокой точности балансировки не столь ощутим, поэтому есть момент в процессе балансировки, достигнув которого рационально остановится.

Как правило, нормируется величина остаточной неуравновешенности в зависимости от типа и рабочей частоты агрегата. Сначала вы должны выбрать класс точности балансировки. На сегодняшний день существует достаточно большое число классов точности балансировки. Класс точности определяется для определенного типа агрегатов и учитывает типичные условия их нагружения и эксплуатации, а так же допустимые уровни вибрации оборудования. Вот некоторые из них: 016 -приводы специального назначения, детали двигателей, коленчатые валы, части сельскохозяйственных машин и дробилок; С6.3 — рабочие колеса насосов и вентиляторов, ротора электромашин общего назначения: 02.5 — паровые и газовые турбины, турбокомпрессоры, приводы станков, маленькие и специальные ротора электромашин; 01 — маленькие ротора электромашин и приводов специального назначения, О0.4 – прецизионные шлифовальные колеса, гироскопы. После того, как мы с вами выбрали класс точности, воспользуемся приведенной ниже диаграммой для оценки допустимой остаточной неуравновешенности ротора.

Пользуются диаграммой следующим образом: по горизонтали находим рабочую частоту нашего агрегата, проводим через нее вертикальную прямую до пересечения с наклонной прямой соответствующей нашему классу точности. Затем через точку их пересечения проводят горизонтальную прямую и на вертикальной оси отсчитывают значение допустимой остаточной неуравновешенности. Допустимая остаточная неуравновешенность нормирует удельный дисбаланс, который равен смещению центра масс или эксцентриситету.

Полученное из диаграммы значение дает значение суммарного удельного остаточного дисбаланса, поэтому его надо умножить на массу [кг] балансируемого ротора, в результате мы получим допустимый остаточный дисбаланс [гмм]. Его обычно делят на число плоскостей коррекции, и, зная радиусы [мм] установки корректирующих масс в каждой из них, рассчитывают допустимые остаточные массы [г].

1. Абашидзе А.И. «Динамика фундаментов паровых турбин» Л. ГЭИ.. 1960 г.

2. Абалаков Б.В. Банник, В.П, Резников Б.И. Монтаж паровых турбин и вспомогательного оборудования М. Энергия, 1966 г.

3. Биргер И.А. Техническая диагностика М. Машиностроение 1978 г.

4. Брановский М.А. и др. Исследование и устранение вибрации турбоагрегатов. М. Энергия, 1969 г.

5. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М. Машиностроение, 1987 г.

6. Гольдин А.С.. Львов М.И., Урьев А.В. Тепловые деформации гибких роторов в подшипниках скольжения. Энергомашиностроение. 1983 г.. №5

7. Ден-Гартог Д. П. Механические колебания. М. Физматгиз, 1960 г.

8. Дон Э.А., Осоловский В.П. Расцентровка подшипников турбоагрегата. М. Энергоатомиздат 1994 ‘

9. Кальменс В. Я. Обеспечение вибронадежности роторных машин. Санкт-Петербург, 1992 г.

10. Карасев В. А., Ройтман А.Б. Доводка эксплуатируемых машин. Вибродиагностические методы. М., Машиностроение, 1986 г.

11. Лисицин И.С. Уравновешивание роторов турбоагрегатов. «Вестник электропромышленности» 1962 г.

12. Методические указания по контролю вибрации питательных центробежных насосов. РД 34.41.301-89.

13. Микунис СИ. Опыт вибродиагностики турбопитательных насосов энергоблоков 250 и 300 Мвт.

14. Микунис СИ., Кравец А. И. Частотный спектр крупных теплофикационных турбин как средство технической диагностики. «Энергетик» 1987 г. №10

15. Молочек Е.А. Ремонт паровых турбин. М„ Энергия. ] 968 г.

16. Олимпиев В.И. Собственные и вынужденные колебания роторов на подшипниках скольжения. Труды ЦКТИ, 1962 г.

17. Правила технической эксплуатации’электрических станций и сетей. Энергия, 1966 г.

18. Рунов Б.Т. Исследование и устранение вибрации паровых турбоагрегатов. М. Энергоатомиздат 1982 г.

19. Салимон А.В., Тараканов В.М. Об уменьшении количества балансировочных пусков при многоплоскостной балансировке валопроводов турбоагрегатов. М. «Электрические станции» №1. 1978 г.

20. Станиславский Л.Я, и др. Вибрационная надежность мощных турбогенераторов.

21. Теория и конструкция балансировочных машин, Машгиз 1963 г.

22. Трунин Е.С., Сацук В.В. Анализ динамических коэффициентов влияния современных турбоагрегатов. Известия Академии Наук Каз. ССР. Серия физико-математическая, №1. 1973 г.

23. 22 А. с. № 503337 (СССР). Способ снижения вибрации явнополюсной машины. Трунин Е.С, приоритет от 27.11.72, опубликовано 15.02.76 г.

24. Трунин Е.С, и др. Методы вибродиагностики тягодутьевого оборудования «Электрические станции» №6. 1986 г.

25. Трунин Е.С, Хасанов Р.А. Диагностика вибрационного состояния силовых трансформаторов

Новая литература (за последние 20 лет)

1. Астахов Николай Владимирович. Математическое моделирование вибраций асинхронных машин. -1987

2. Астахов Николай Владимирович. Учебное пособие по курсу Вибрация и шум электрических машин. Магнитные вибрации синхронных машин. — 1987

3. Барков Алексей Васильевич. Шум и вибрация судового электрооборудования. — 1985

4. Белоусова Нина Никоновна. Методы и средства защиты от вибрации. — 1996

5. Болотин В.В. Вибрации в технике. — Т.1: Колебания линейных систем. — 1999

6. Буренин В.В. Резиновые амортизаторы для виброизоляции машин, агрегатов, механизмов и приборов. — 1996

7. Вибрации в технике: Справочник. – М.: Машиностроение, 1995 – Т. 6: Защита от вибрации и ударов / [В.К. Асташев и др.]; Под ред. К.В. Фролова

8. Вибрации трубопроводов электрических станций и методы их устранения. — 1992

9. Вибрации центробежных нагнетателей природного газа. Нормы и методика оценки вибрационного состояния. -1990

10. Вибрационная надежность паротурбинных агрегатов. — 1986

11. Вибрационная техника. — 1987

12. Вибрационная техника. — 1988

13. Вибрационная техника. — 1989

14. Вибрация и вибродиагностика. Проблемы стандартизации. — 1991

15. Вибрация и диагностика машин и механизмов. — 1990

16. Вибрация мостовых электрических кранов и методы борьбы с ней. — 1989

17. Вибродиагностика и виброзащита машин и приборов. — 1989

18. Волновые и вибрационные процессы в машиностроении. — 1989

19. Волновые и вибрационные процессы в машиностроении. — 1989

20. Вопросы виброзащиты и вибротехники. -1990

21. Всесоюзная научно-техническая конференция Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и вибродиагностики (3-5 окт. 1989 г., Минск). — 1989

22. Грибков А.М.. Расчет колебаний валов гидромашин. — 1998

23. Гусаров Анатолий Александрович. Динамика и балансировка гибких роторов. — 1990

24. Дефектоскопия и вибродиагностика. — 1988

25. Динамика виброактивных систем и конструкций. — 1989

26. Динамические испытания и контроль механических систем. — 1988

27. Елисеев П. Г.. Датчики малых смещений и вибраций на основе полупроводниковых лазеров. -1991

28. Кельзон Анатолий Саулович. Управление колебаниями роторов. — 1992

29. Клюкин Игорь Иванович. Физико-технические основы виброизоляции механизмов и другого виброактивного оборудования. — 1987

30. Коровин Юрий Васильевич. Балансировка роторов. — 1994

31. Курчавова Татьяна Павловна. Измерение вибрации машин на производстве. — 1991

32. Макаева Р.Х.. Исследование вибрационных характеристик деталей и узлов двигателей методом голографической интерферометрии при их диагностике. — 1998

33. Маслов Георгий Сергеевич. Колебания в машинах и методы виброзащиты. -1987

34. Методология нормирования интенсивности вибрации узлов ГПА по статистике штатного контроля. — 1996

35. Методы и средства виброакустической диагностики машин. -1988

36. Мижидон А.Д.. Синтез параметров виброзащитных систем. — 1997
3″. Назаров В.П.. Балансировка роторов турбонасосных агрегатов. — 1995

38. Нормирование дисбалансов шпиндельных узлов. — 1989

39. Оценка технического состояния зубчатых передач по параметрам виброактивности в цеховых условиях. — 1990

40. Перевощиков СИ.. Гидродинамическая вибрация насосных агрегатов. — 1997

41. Применение средств вибропоглощения и виброгашения в промышленности и на транспорте. -1988

42. Применение средств вибропоглощения и виброгашения в промышленности и на транспорте. -1990

43. Проскуряков К.Н.. Использование виброакустических шумов для диагностики технологических процессов в АЭС. — 1999

44. Прочностные и динамические характеристики машин и конструкций. — 1989

45. Пучкин А. Е.. Методы предотвращения кавитаци и, вибрации и шума в гидроприводах металлургического оборудования. — 1989

46. Рекомендации по определению прямым методом динамических усилий, развиваемых вибровозбудительными системами, используемыми при вибрационных испытаниях основного оборудования и сооружений ‘ГЭС и ГЭС. — 1995

47. Рекомендации по проектированию виброизоляции обогатительного оборудования. — 1989

48. Родионов Леонид Васильевич. Вибрация и виброзащита машин. — 1990

49. Саакян Эдуард Смбатович. Уравновешивание и виброзащита механизмов. — 1985

50. Семенов Юрий Алексеевич. Теория механизмов и машин. Колебания и балансировка роторов. 1995

51. Снижение вибраций машин. — 1994

52. Совершенствование конструкций подшипников и методов их выбора, исследования виброакустических характеристик подшипников.-2. — 1991

53. Современные численные методы исследования вибраций машин. — 1991

54. Справочник по балансировке. — 1992

55. Технология балансировки роторных агрегатов.-Ч.1: Основные сведения из теории балансировки роторов. — 1998

56. Цыфанский Семен Львович. Практическое использование нелинейных эффектов в вибрационных машинах. — 1992

57. Швейкин Александр Петрович. Ударная и вибрационная защита машин. — 1988

58. Швецов Владимир Тимофеевич. Внешнее уравновешивание моментов сил в машинах. — 1996

[1] Векторная диаграмма это графическое изображение значений физических величин, изменяющихся по гармоническому закону, и соотношений между ними в виде векторов.

[2] Колебания различной частоты на векторной диаграмме будут двигаться друг относительно друга со скоростью, определяемой разностью их частот.

[3] Противоположная фаза — фаза отличающаяся от исходной на 180°.

[4] Комплексное число, число вида х+iу, где х и у – действительные числа, а; i – т. н. мнимая единица (число, квадрат которого равен -1); х называется действительной частью, а у – мнимой частью комплексного числа. Действительные числа – частный случай комплексных чисел (при у=0). Комплексные числа, не являющиеся действительными (у ¹0), иногда называются мнимыми числами, при х= 0 комплексные числа называются чисто мнимыми. Геометрически каждое комплексное число х+iу изображается точкой плоскости, имеющей прямоугольные координаты х и у. Если полярные координаты этой точки обозначить через r и j, то соответствующее комплексное число можно представить в виде: r(cosj +isinj) (тригонометрическая форма комплексного числа); называется модулем комплексного числа х+iу, а его аргументом, или в экспоненциальном виде: re i j

[5] Пропорциональность, простейший вид функциональной зависимости. Различают прямую пропорциональность. (y=kx) обратную пропорциональность (y=k/x).

[6] Кинетическая энергия, энергия механической системы, зависящая от скоростей движения составляющих ее

[7] Временная область – область, в которой сигнал рассматривается в зависимости от времени.

[8] ИРРАЦИОНАЛЬНОЕ ЧИСЛО, число, не являющееся рациональным, т. е. не могущее быть точно выраженным дробью m/n, где m и n – целые числа.

[9] Акселерометр (от лат. ассе1его –ускоряю и . метр) датчик для измерения ускорения.

[10] Велометр (от лат. velocitas — скорость и . метр) датчик для измерения скорости.

[11] Проксиметр (от лат. proximus – ближний и . метр) датчик для измерения смещения, раньше их называли виброметрами

[12] ЭДС — электродвижущая сила.

[13] Резонансная область обычно имеет ширину, приблизительно равную#0% от резонансной частоты. Другими словами от 0,8fР до 1,2fР.

[14] Наличие краски уменьшает твердость поверхности и

[15] Аутентичный текст (от греч. authentikos – подлинный), текст документа, официально признанный равнозначным другому тексту, составленному, как правило, на другом языке, и имеющий одинаковую с ним юридическую силу.

[16] Гибким будем называть ротор, частота изгибных колебаний которого ниже рабочей частоты вращения.

[17] Вероятность, в математике – числовая характеристика степени возможности появления какого-либо случайного события при тех или иных определенных, могущих повторяться неограниченное число раз условиях .

[18] Регрессия – зависимость среднего значения какой-либо величины от некоторой другой величины.

[19] По общему уровню

[22] За исключением особо оговоренных случаев

[23] Спектр (от лат. spectrum – представление, образ) в физике, совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующей систему или процесс. Чаще всего пользуются понятиями частотного спектра колебаний

[24] F – частота выборки

[25] Нормальным агрегатом будем считать агрегат, на котором выполняются следующие условия: вибрация в контролируемых точках соответствует нормам;

диагностические параметры находятся в пределах, соответствующих заданному режиму работы агрегат на стационарном режиме наблюдается стационарная вибрация: параметры ее изменчивости находятся в пределах, характерных для заданного режима; отсутствуют существенные внезапные изменения вибрации; отсутствует существенный монотонный рост вибрации во времени (тренд); отсутствует низкочастотная вибрация; отсутствуют существенные изменения спектрального состава вибрации.

[26] Несущая – частота гармонической функции, которую мы модулируем.

[27] Октава — единица частотного интервала, равна интервалу между двумя частотами (f1 и f2), логарифм отношения которых , что соответствует .

[28] Дис. (франц. des)- приставка, обозначающая отсутствие

[29] Баланс (франц. balance, букв. — весы)- равновесие, уравновешивание.

[30] Далее прилагательное «начальная» для краткости опускаем

[31] В принципе лазерный отметчик может работать на любых отражающих поверхностях, имеющих контрастный переход отражающих свойств поверхности.

[32] Длительность импульса определяется линейной скоростью метки относительно луча.

[33] Синхроимпульс – скачек уровня сигнала, формируемого отметчиком, возникающий при прохождении лучом.

Дата добавления: 2020-10-30 ; просмотров: 878 | Нарушение авторских прав

Датчики на основе спектрального анализа способны изменить подход к производству?

тБУУНПФТЕООЩЕ ЧЩЫЕ НЕФПДЩ ПРТЕДЕМЕОЙС УРЕЛФТБМШОПК ЖХОЛГЙЙ ЧТЕНЕООПЗП ТСДБ СЧМСАФУС ОЕРБТБНЕФТЙЮЕУЛЙНЙ . рБТБНЕФТЙЮЕУЛЙК УРЕЛФТБМШОЩК БОБМЙЪ РПДТБЪХНЕЧБЕФ РПУФТПЕОЙЕ НБФЕНБФЙЮЕУЛПК НПДЕМЙ ЧТЕНЕООПЗП ТСДБ Й ФПМШЛП РПУМЕ ЬФПЗП ОБ ПУОПЧЕ ОБКДЕООЩИ НПДЕМЕК РПЪЧПМСЕФ ПГЕОЙФШ ЕЗП УРЕЛФТБМШОЩЕ ИБТБЛФЕТЙУФЙЛЙ. нБФЕНБФЙЮЕУЛБС НПДЕМШ, РПУФТПЕООБС Ч ТБНЛБИ РБТБНЕФТЙЮЕУЛПЗП УРЕЛФТБМШОПЗП БОБМЙЪБ, ОЕ ДПМЦОБ ФПЮОП ПРЙУЩЧБФШ ЧТЕНЕООПК ТСД, РП ЛПФПТПНХ ПОБ ВЩМБ ЧПУУФБОПЧМЕОБ. тЕЮШ ЙДЕФ П УПЧРБДЕОЙЙ ЧЕТПСФОПУФОЩИ ИБТБЛФЕТЙУФЙЛ ЙУИПДОПЗП ТСДБ Й НПДЕМЙ. рТЙ ФБЛПН РПДИПДЕ УРЕЛФТ СЧМСЕФУС ЖХОЛГЙЕК РБТБНЕФТПЧ ЧПУУФБОБЧМЙЧБЕНПК НПДЕМЙ.

йУРПМШЪПЧБОЙЕ РБТБНЕФТЙЮЕУЛЙИ НПДЕМЕК РПЪЧПМСЕФ РПМХЮЙФШ ВПМЕЕ ФПЮОЩЕ, У ВПМЕЕ ЧЩУПЛЙН ТБЪТЕЫЕОЙЕН УРЕЛФТБМШОЩЕ ПГЕОЛЙ, ЮЕН ЬФП ЧПЪНПЦОП У РПНПЭША ОЕРБТБНЕФТЙЮЕУЛПЗП БОБМЙЪБ. рБТБНЕФТЙЮЕУЛЙК БОБМЙЪ ОБЙВПМЕЕ ЬЖЖЕЛФЙЧЕО РТЙ ТБВПФЕ У ДБООЩНЙ НБМПК ДМЙОЩ, ЛПЗДБ ОЕРБТБНЕФТЙЮЕУЛЙЕ НЕФПДЩ ОЕ НПЗХФ ПВЕУРЕЮЙФШ ОЕПВИПДЙНПЕ УРЕЛФТБМШОПЕ ТБЪТЕЫЕОЙЕ.

оБЙВПМШЫЕЕ ТБУРТПУФТБОЕОЙЕ РПМХЮЙМ РПДИПД, ПУОПЧБООЩК ОБ РПУФТПЕОЙЙ МЙОЕКОЩИ УФБГЙПОБТОЩИ НПДЕМЕК. ч УППФЧЕФУФЧЙЙ У ЬФЙН РПДИПДПН БОБМЙЪЙТХЕНЩК РТПГЕУУ ТБУУНБФТЙЧБЕФУС ЛБЛ РТПГЕУУ ОБ ЧЩИПДЕ МЙОЕКОПК УЙУФЕНЩ, ОБ ЧИПД ЛПФПТПК РПУФХРБЕФ ВЕМЩК ЫХН. рПУЛПМШЛХ ВЕМЩК ЫХН ЙНЕЕФ ТБЧОПНЕТОХА УРЕЛФТБМШОХА РМПФОПУФШ, ФП, РТПРХУЛБС ЕЗП ЮЕТЕЪ МЙОЕКОХА УЙУФЕНХ ВЕУЛПОЕЮОПК ТБЪНЕТОПУФЙ (ЙМЙ, ЮФП ФП ЦЕ УБНПЕ, ЮЕТЕЪ ВЕУЛПОЕЮОПЕ ЮЙУМП МЙОЕКОЩИ УЙУФЕН, УПЕДЙОЕООЩИ РПУМЕДПЧБФЕМШОП ЙМЙ РБТБММЕМШОП), НПЦОП РПМХЮЙФШ УРЕЛФТБМШОХА РМПФОПУФШ НПЭОПУФЙ МАВПК ЖПТНЩ. рПЬФПНХ МЙОЕКОБС НПДЕМШ РТЙЗПДОБ ДМС БРРТПЛУЙНБГЙЙ НОПЗЙИ ЧУФТЕЮБАЭЙИУС ОБ РТБЛФЙЛЕ ДЕФЕТНЙОЙТПЧБООЩИ Й УМХЮБКОЩИ РТПГЕУУПЧ У ДЙУЛТЕФОЩН ЧТЕНЕОЕН. уРЕЛФТБМШОБС ИБТБЛФЕТЙУФЙЛБ МЙОЕКОЩИ НПДЕМЕК РПМОПУФША ПРТЕДЕМСЕФУС РБТБНЕФТБНЙ НПДЕМЙ Й ДЙУРЕТУЙЕК ВЕМПЗП ЫХНБ .

чЕУШ ЛМБУУ МЙОЕКОЩИ НПДЕМЕК НПЦЕФ ВЩФШ РТЕДУФБЧМЕО Ч ЧЙДЕ:

ъДЕУШ — БОБМЙЪЙТХЕНЩК РТПГЕУУ c РЕТЙПДПН ДЙУЛТЕФЙЪБГЙЙ , — ВЕМЩК ЫХН У ОХМЕЧЩН УТЕДОЙН ЪОБЮЕОЙЕН Й ЛПТТЕМСГЙПООПК ЖХОЛГЙЕК (УН. рТЙМПЦЕОЙЕ). уРЕЛФТБМШОБС РМПФОПУФШ ВЕМПЗП ЫХНБ РТЙОЙНБЕФ РПУФПСООПЕ ЪОБЮЕОЙЕ ДМС ЧУЕИ ЮБУФПФ, ТБЧОПЕ ДЙУРЕТУЙЙ: . еУМЙ ЧУЕ ЛПЬЖЖЙГЙЕОФЩ ЧФПТПЗП УМБЗБЕНПЗП ТБЧОЩ ОХМА (ЛТПНЕ , ), ФП РПМХЮБЕФУС ФБЛ ОБЪЩЧБЕНБС НПДЕМШ БЧФПТЕЗТЕУУЙЙ (бт), Ф.Е. НПДЕМШ РТПГЕУУБ, ЪОБЮЕОЙЕ ЛПФПТПЗП Ч НПНЕОФ ЧТЕНЕОЙ ЖПТНЙТХЕФУС ЛБЛ ЛПНВЙОБГЙС ЪОБЮЕОЙК ЬФПЗП РТПГЕУУБ Ч РТЕДЫЕУФЧХАЭЙЕ НПНЕОФЩ ЧТЕНЕОЙ Й ЪОБЮЕОЙС ОЕЪБЧЙУЙНПК УМХЮБКОПК УПУФБЧМСАЭЕК . еУМЙ ТБЧОЩ ОХМА ЧУЕ ЛПЬЖЖЙГЙЕОФЩ , ФП НПДЕМШ ОБЪЩЧБЕФУС НПДЕМША УЛПМШЪСЭЕЗП УТЕДОЕЗП (уу) Й ПРЙУЩЧБЕФ ВЕЪЙОЕТГЙПООПЕ (ОЕ ЪБЧЙУСЭЕЕ ПФ РТЕДЩДХЭЙИ НПНЕОФПЧ ЧТЕНЕОЙ) РТЕПВТБЪПЧБОЙЕ УМХЮБКОПЗП РТПГЕУУБ. гЕМЩЕ РПМПЦЙФЕМШОЩЕ ЮЙУМБ Й ЪБДБАФ РПТСДПЛ НПДЕМЕК бт( ) Й CC( ), УППФЧЕФУФЧЕООП. лПЗДБ Й ПФМЙЮОЩ ПФ ОХМС, РПМХЮБЕФУС ЛПНВЙОЙТПЧБООБС НПДЕМШ — БЧФПТЕЗТЕУУЙЙ — УЛПМШЪСЭЕЗП УТЕДОЕЗП бтуу( ). чЩВПТ ФЙРБ НПДЕМЙ РТЕДЫЕУФЧХЕФ УРЕЛФТБМШОПНХ БОБМЙЪХ Й ДЕМБЕФУС ОБ ПУОПЧЕ УЧЕДЕОЙК П ЖЙЪЙЮЕУЛПК РТЙТПДЕ БОБМЙЪЙТХЕНПЗП УМХЮБКОПЗП РТПГЕУУБ. лТПНЕ ФПЗП, ДМС ЧЩВПТБ НПДЕМЙ ФТЕВХАФУС РТЕДЧБТЙФЕМШОЩЕ УЧЕДЕОЙС П ЧПЪНПЦОПК ЖПТНЕ УРЕЛФТБМШОПК РМПФОПУФЙ НПЭОПУФЙ. еУМЙ ЙУУМЕДХЕНЩК УЙЗОБМ РП РТЕДРПМПЦЕОЙА ЙНЕЕФ УРЕЛФТ У ПУФТЩНЙ РЙЛБНЙ, ОП ВЕЪ ЗМХВПЛЙИ ЧРБДЙО (ОХМЕК), ФП ОБЙВПМЕЕ РПДИПДСЭЕК СЧМСЕФУС бт-НПДЕМШ, РПУЛПМШЛХ ПОБ ДБЕФ УРЕЛФТ У ТЕЪЛЙНЙ ЧУРМЕУЛБНЙ ОБ ПФДЕМШОЩИ ЮБУФПФБИ (ТЙУ. 15, Б ). еУМЙ, ОБПВПТПФ, РТЕДРПМБЗБЕНЩК УРЕЛФТ ЙНЕЕФ ЗМХВПЛЙЕ ОХМЙ, ОП ОЕ ИБТБЛФЕТЙЪХЕФУС ПУФТЩНЙ РЙЛБНЙ, ФП РПДПКДЕФ уу-НПДЕМШ (ТЙУ. 15, В ). бтуу-НПДЕМШ НПЦЕФ РТЙНЕОСФШУС Ч ПВПЙИ РТЕДЕМШОЩИ УМХЮБСИ (ТЙУ. 15, Ч ). ч ФЕИ УМХЮБСИ, ЛПЗДБ ПДЙОБЛПЧП РТЙЗПДОЩ ОЕУЛПМШЛП НПДЕМЕК, УМЕДХЕФ ЙУРПМШЪПЧБФШ ФХ ЙЪ ОЙИ, ЛПФПТБС ЙНЕЕФ ОБЙНЕОШЫЕЕ ЮЙУМП РБТБНЕФТПЧ ЙМЙ, ДТХЗЙНЙ УМПЧБНЙ, ОБЙНЕОШЫЙК РПТСДПЛ, РПУЛПМШЛХ ПГЕОЛЙ У ИПТПЫЙНЙ УФБФЙУФЙЮЕУЛЙНЙ УЧПКУФЧБНЙ НПЦОП РПМХЮЙФШ, ЛБЛ РТБЧЙМП, ЛПЗДБ ЮЙУМП ПГЕОЙЧБЕНЩИ РБТБНЕФТПЧ НЙОЙНБМШОП. лТПНЕ ФПЗП, ЧЩВПТ НПДЕМЙ ЪБЧЙУЙФ ПФ ЙНЕАЭЙИУС ЧЩЮЙУМЙФЕМШОЩИ ТЕУХТУПЧ: бт-НПДЕМЙ ФТЕВХАФ ЪОБЮЙФЕМШОП НЕОШЫЕ ЧЩЮЙУМЙФЕМШОЩИ ЪБФТБФ, ЮЕН уу- Й бтуу-НПДЕМЙ. рТЙ ОЕЧЕТОПН ЧЩВПТЕ НПДЕМЙ ПГЕОЛБ УРЕЛФТБ ВХДЕФ ПЫЙВПЮОПК Й, УЛПТЕЕ ЧУЕЗП, ВХДЕФ ПВМБДБФШ ИХДЫЙНЙ УЧПКУФЧБНЙ, ЮЕН ПГЕОЛБ, РПМХЮЕООБС У РПНПЭША ОЕРБТБНЕФТЙЮЕУЛЙИ НЕФПДПЧ.

: тЙУ. 15. рТЙНЕТЩ ИБТБЛФЕТОЩИ ЖХОЛГЙК УРЕЛФТБМШОПК РМПФОПУФЙ ДМС бт-НПДЕМЙ ( Б ), уу-НПДЕМЙ ( В ), бтуу-НПДЕМЙ ( Ч ).

пРТЕДЕМЙН УЧСЪШ УРЕЛФТБ РПУМЕДПЧБФЕМШОПУФЙ Й РБТБНЕФТПЧ НПДЕМЙ (1.68). дМС ЬФПЗП РТЙНЕОЙН РТЕПВТБЪПЧБОЙЕ жХТШЕ (1.33) Л ЧЩТБЦЕОЙА (1.68), ЙУРПМШЪХС УЧПКУФЧП (1.45):

Добавить комментарий