книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

делить для проведения анализа состава. Слабо сорбируемые вещества 4 продвигаются по трубке быстрее, а сильно сорбируемые вещества 5— медленнее. В результате они раз­ деляются в пространстве вдоль трубки. В конце трубы в потоке гелия появляются сначала слабо сорбируемые, а затем все более сильно сорбируемые вещества. Сорбирующее вещество не должно вступать в химические реакции ни с одним из компонентов газовой смеси. Далее гелий с примесью каждой составляющей смеси поступает в анализатор 6. Наиболее универсальный анализ производится по теплопроводности сме­ си. В анализаторе находится тонкая платиновая нить, нагрева­ емая электрическим током. При изменении теплопроводности смеси температура нити изменяется, что может быть зафик­ сировано соответствующим прибором, т. к. изменяется со­ противление нити. Изменение температуры обычно фиксируется самописцем на диаграммной ленте.

Теплопроводность смеси гелия с каким-либо газом зависит от концентрации и молекулярной массы газа (для других инертных газов эта зависимость выражена слабее). Таким образом, по показаниям данного анализатора можно судить о прохождении каждой составляющей газовой смеси через хроматограф, а также о приближенной ее концентрации, что видно из диаграммы на рис. 11.9,6, и молекулярной массе. При дальнейшем продвижении фракций в зависимости от конкретного предполагаемого состава газов применяются раз­ личные другие анализаторы.

В конечном итоге каждая составляющая смеси может быть

метра показаны на рис. 11.10. В вакуумной трубе анализатора масс ионов 1 имеется устройство для ионизации молекул смеси анализируемых газов (ионный источник) 2. В ионный источник поступает смесь газов по устройству напускания газа 3.

к *

Откачка.

Воздуха

. Откачка Воздуха

В 2 образуются положительные ионы молекул анализиру­ емых газов. Эти ионы разгоняются в электрическом поле с напряжением U и приобретают заданную энергию.

Пролетая через магнитное поле с напряженностью Н, созданное магнитом 4, ионный пучок отклоняется, фокусируется и направляется на собирающий электрод 5. Ток (примерно 10“ 10— 10“ 12 А) с электрода 5 направляется на электромет­ рический усилитель и на регистратор ионного тока 6.

Радиус движения ионов в магнитном поле магнита 4 опре­ деляется соотношением

144 2М

г= 1 Т — и,

где М — масса иона в единицах атомной масссы; z — кратность

Изменяя U или Я, можно направлять на электрод 5 ионы с заданным отношением M/z. На диаграммной ленте записыва­

Для проведения анализа достаточно пропустить через анализатор 10"3 см3 газа за 20—30 мин. Давление в трубе масс-спектрометра должно быть не более 10"4 Па, при этом напуск газа должен происходить очень медленно.

Количественная оценка соотношения концентрации различ­ ных ионов в смеси производится по максимальному значению ионного тока или площади под пиком тока, соответствующих ионам заданной массы.

Современные масс-спектрометры являются довольно гро­ моздкими и сложными устройствами. Они предназначены для

162

проведения анализа самых различных материалов. В кабельной технике они могут быть использованы, например, как ана­ лизаторы газовых смесей, которые выделяются при старении электроизоляционных материалов или при технологической термообработке кабельных изделий.

Интересные исследования были проведены при определении состава газовой смеси, выделяющейся при сушке бумажной изоляции кабелей высокого напряжения. Для этого устройство 3 масс-спектрометра (см. рис. 11.10) было соединено с котлом для сушки изоляции, в котором в конечной стадии поддер­

11.4. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Ядерные частицы (протоны и нейтроны) обладают спино­ вым магнитным моментом, следовательно, ядра химических элементов также обладают магнитным моментом. Если ядро имеет четное число протонов и четное нейтронов, то магнитный момент ядра равен нулю и такие ядра не пригодны для анализа вещества методом ядерного магнитного резонанса (ЯРМ). В табл. 11.2 приведены ядра и их параметры, для которых применим метод ЯРМ [23].

Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, то взаимодействие его с магнитным моментом ядра приводит к тому, что ядро может находиться в дискретных квантованных энергетических состояниях. Если при этом вещество поместить в переменное магнитное поле высокой частоты, что при равенстве энергии кванта высокочастотного поля и разности энергетических уровней ядра будет возникать ядерный резонанс. При условии резонанса 2nf=yB0i где / — частота поля; В0—

163

Рис. 11.12. К принципу устройства прибора для ЯРМ

индукция внешнего постоянного поля; у — гиромагнитное от­ ношение ядра.

Как видно из табл. 11.2, наилучшими объектами для ЯРМ являются атомы водорода и фтора. Для анализа используют магнитные поля 1,4—2,3 Тл. Чувствительность метода воз­ растает пропорционально квадрату индукции магнитного поля. При 50= 1,4 Тл для водорода получают частоту 60 МГц.

В положении, близком к резонансу, энергия, передаваемая от внешнего высокочастотного поля к ядрам, передается веществу, т. е. происходит релаксация энергии. Кроме того, магнитные моменты ядер взаимодействуют друг с другом (спин-спиновое взаимодействие). Эти взаимодействия приводят к тому, что форма кривой ЯРМ зависит от структуры и состояния вещества, и это может быть использовано для различных анализов.

Схема устройства прибора для ЯРМ показана на рис. 11.12. Ампула 1 с веществом, подвергаемым анализу, помещается между полюсами магнита 2, который создает постоянное магнитное поле. На ампуле расположена обмотка катушки высокой частоты с определенной индуктивностью, включенной в схему радиочастотного моста 3. На катушку и мост подается напряжение высокой частоты / 0 от генератора

4.В положении, близком к резонансу, происходит до­

полнительное поглощение энергии в веществе, что приводит к снижению добротности катушки. Одновременно изменяется магнитная проницаемость вещества, что приводит к изменению индуктивности катушки. После усилителя 5 сигнал подается для записи на диаграмму ЯРМ.

Форма кривой а поглощения энергии при ЯРМ видна из рис. 11.12. На кривой б показано изменение магнитной проница­ емости рг, которая соответствует производной от кривой а. В качестве основных параметров ЯРМ обычно рассматривают ширину кривой я, которую измеряют как разность между

164

экстремумами кривой б. Вторым параметром ЯРМ считают

ширину и их форма определяется структурой кристаллической решетки. В жидкостях спектры ЯРМ состоят из ряда узких линий, относительное расположение и интенсивности которых определяются структурой молекул. Соответственно для изуче­ ния спектров применяется аппаратура для «метода широких линий» и для «спектров высокого разрешения».

В аппаратуре для ЯРМ обычно применяется постоянная частота, получаемая от генераторов с кварцевыми стабили­ заторами. Развертка диаграммы по горизонтальной оси осу­ ществляется слабыми отклонениями магнитного поля от по­ ложения резонанса Я 0. Ширина линий АН0 в твердых телах составляет единицы и десятки эрстед. В жидкостях ширина резонансных линий протонов составляет около 10“4 Э. Это означает, что однородность магнитного поля магнита по всему объему, занимаемому анализируемым веществом, должна быть не хуже приведенных значений. Такие же требования предъявляются и к стабильности магнитного поля и частоты во времени.

В аппаратуре для ЯРМ применяют высокостабилизированные генераторы и магниты. Применяется ряд мер по повыше­ нию однородности магнитного поля. Для регистрации спектров ЯРМ применяется чувствительная и сложная усилительная аппаратура. Масса магнитов достигает сотен килограммов. Настройка аппаратуры и правильное измерение спектров ЯРМ требуют высокой квалификации.

Диаметр ампул с веществом составляет обычно 5 мм, а их длина около 20 мм. На ампуле или располагают нагреватель, или она охлаждается сжиженными газами. Это позволяет исследовать структуру веществ при различных температурах.

Метод ЯРМ используют для исследования полимеров [24]. Форма, ширина и момент второго порядка линии ЯРМ зависят от строения цепи полимера— наличия разветвленности,

ис помощью ЯРМ можно получить информацию о характере ориентации макромолекул или кристаллитов в полимере. Наблюдая изменение ширины линий с температурой, получают данные о молекулярном движении в полимере. Ширина и форма линии ЯРМ меняются также и в том случае, когда в полимере идут химические и физические процессы: полимеризация, сшива­ ние цепей, деструкция. Метод ЯРМ позволяет изучать кинетику

имеханизм этих процессов.

165

Рис. 11.13. Форма кривой поглощения энергии при ЯРМ при температуре -183° С ( а ) и 3,5° С ( б )

макромолекулы полимера.

В качестве примера на рис. 11.13 приведено изменение формы линии ЯРМ полиэтилена [24] при температуре —183° С (рис. 11.13,а) и при 3,5° С (рис. 11.13,6). При температуре —183° С линия состоит только из широкой составляющей,

смотрим метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), получивший наибольшее распространение. Для проведения такого анализа разработаны отечественные приборы: микро­ анализатор рентгеновский МАР-3 и электронный микроскоп — микроанализатор ЭММА-100.

В этих приборах в вакуумной камере с помощью элект­ ронной пушки формируется пучок электронов, которые раз­ гоняются с помощью напряжения, приложенного к аноду (от 5 до 50 кВ). С помощью фокусирующего устройства пучок электронов направляется на поверхность исследуемого образца. Диаметр электронного пучка равен примерно 1 мкм. Соответ­ ственно локальность анализа по поверхности и глубине образца составляет от 1 до 5 мкм.

При соударении с анализируемым веществом электронный пучок возбуждает электроны в атомах на различных энер­ гетических уровнях, причем при возбуждении электронов внут­

166

ренних уровней частота рентгеновского излучения мало зависит от структуры химических соединений, в которые входит атом данного элемента.

Атомам каждого химического элемента соответствует задан­ ный набор частот в области рентгеновского спектра излучения (линейчатый спектр), что позволяет качественно определить наличие этого элемента, если его концентрация по массе

ввеществе не меньше нескольких десятых долей процента. Количественный метод анализа основан на сравнении

интенсивности рентгеновского излучения на какой-либо харак­ терной для данного элемента частоте в исследуемом образце и в образце с точно известным количественным химическим составом (стандартный образец или СО). Состав СО должен быть по возможности близок к исследуемым образцам.

Погрешность количественного анализа составляет 2—3% при содержании элемента по массе более 10%. При снижении концентрации элемента погрешность увеличивается и достигает 100% близ порога чувствительности. Метод позволяет опре­ делять наличие всех элементов, начиная с лития.

Размеры образцов для анализа могут составлять 1—50 мм. Поверхность должна быть отшлифована и отполирована по высшему классу чистоты (размер неоднородностей поверхности должен быть меньше зоны локального метода исследований). При измерениях образец медленно перемещается под пучком электронов, что позволяет определить количественно содержа­ ние данного элемента по линии сканирования.

На диэлектрические поверхности необходимо наносить ваку­ умным напылением слой металла толщиной 0,02—0,03 мкм (Al, Си, Ag, Аи и л и углерод), которого нет в составе образца. Проводящий слой необходим для отвода зарядов, которые приносит чэлектронный пучок. Ток пучка составляет 10~9— 10~6 А. При этом образцы с небольшой теплопроводностью в локальной зоне могут заметно нагреваться под ударами электронов. Энергия в зоне анализа составит IU (I—ток пучка; U— напряжение на аноде). Необходим тепловой расчет возможного нагревания образца.

При исследовании проводов шлиф среза провода должен быть более 0,1 мм. Приведем примеры использования РСМА

вкабельной технике:

1)исследование диффузии металлов в проводах, предназ­ наченных для работы при температурах 300—700° С. Напри­

мер, если для защиты от окисления медь покрыть никелем, то при повышенной температуре происходит диффузия никеля в медь, что приводит к росту электрического сопротивления проводов. Если сделать поперечный шлиф провода, то с по­ мощью РСМА можно определить распределение никеля в меди. Такие же исследования можно проводить и для тройных слоев;

167

2) исследование сплавов алюминия (типа альдрей). Можно определять наличие гетерогенных фаз в составе проводов (на

5 мкм) покрытий. Так, если толщина покрытия больше глубины проникновения электронного луча, то химические элементы подложки не регистрируются РСМА, если меньше— регист­ рируются.

ГЛАВА Д В Е Н А Д Ц А Т А Я

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИСПЫТАНИЙ И ПУТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ИСПЫТАНИЙ

12.1.СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

ИИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Подробное описание средств измерений и различных видов погрешностей измерений дано в специальной литературе [18]. Рассмотрим лишь краткие сведения, необходимые для прак­ тических вычислений погрешностей измерений.

Средствами измерений называют технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Характеристики средств измерений регламентированы ГОСТ 8009-7,8.

Различают следующие виды средств измерений: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, из­ мерительные установки, измерительные системы.

Мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного значения (например, нормальный элемент для воспроизведения ЭДС, эталонный конденсатор, гиря).

Измерительными приборами называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной ин­ формации, т. е. информации о значениях измеряемой величины, в форме, доступной для непосредственного восприятия на­ блюдателем. Показания аналоговых приборов являются не­ прерывными функциями измеряемой величины, цифровые при­ боры автоматически вырабатывают дискретные сигналы, по­ зволяющие получать показания в цифровой форме.

Измерительными преобразователями называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измери­ тельной информации в форме, удобной для передачи, даль­

168

нейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительный преобразователь имеет вход, на который подается преобразуемая величина х (входная величина). Выход­ ная величина преобразователя (преобразованная величина) связана с входной функциональной зависимостью у =/(*), которая называется функцией преобразования. Существуют преобразователи с несколькими входами х и х2, ..., х„. В этом случае y —f (д^, х 2, ..., *„). ® измерительной цепи может быть несколько последовательно включенных преобразователей. Первый из них называют первичным измерительным преоб­ разователем. Преобразователи могут преобразовывать элект­ рические величины в электрические, неэлектрические—в элек­ трические (датчики), электрические—в неэлектрические. Они могут быть масштабными (изменяют величину в заданное число раз) и преобразователя рода величин (например, преоб­ разовывать непрерывные электрические сигналы в цифровой код, активной мощности в постоянное напряжение и т. д.).

Измерительной установкой называют совокупность функ­ ционально объединенных средств измерений (мер, измеритель­ ных приборов, измерительных преобразователей) и вспомога­ тельных устройств. Она предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосред­ ственного восприятия наблюдателем (например, установка для измерения зависимости tg 5 от температуры).

Измерительные системы представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. В современных исследованиях и технологических процессах необходимо контролировать боль­ шое количество быстро изменяющихся величин. Информация, представленная приборами, не может быть воспринята и со­ хранена человеком. Кроме того, в .ряде случаев требуется математическая обработка предварительных данных и обобщен­ ная регистрация.

В измерительных системах производится автоматическое измерение, обработка измерений и регистрация результатов измерений. В них значения измеряемых или контролируемых величин преобразуются в унифицированные однородные сиг­ налы, что позволяет многократно использовать некоторые функциональные блоки системы (например, измерительный усилитель), т. е. одними и теми же элементами системы производить обработку, а в некоторых случаях и передачу сигналов измерительной информации.

Измерительную систему, в которой предусмотрена возмож­ ность представления информации оператору, называют ин­ формационно-измерительной (ГОСТ 8.437—81) или измерите­ льно-информационной системой. Если в состав измерительной

169

системы входит свободно программируемая ЭВМ, то систему называют измерительно-вычислительным комплексом.

Погрешность является одной из основных характеристик измерений. Понятие погрешности неразрывно связано с поняти­ ем об истинном значении физической величины х, под которым подразумевают значение физической величины, идеальным образом отражающее в качественном и количественном от­ ношениях соответствующее свойство объекта. В связи с тем что истинное значение величины остается неизвестным, на практике пользуются «действительным значением» х , которое может быть определено экспериментально при помощи об­ разцовых средств измерения и настолько приближается к ис­ тинному значению, что может быть использовано вместо него (в данной конкретной задаче).

Результат измерений является случайной величиной. При повторных измерениях одной и той же заданной физической величины каждый раз получаются несколько различающиеся результаты. Полное совпадение результатов измерений говорит о том, что чувствительность средств измерений недостаточна.

Зададимся положительными числами Дх и Д2, имеющими размерность измеряемой величины. Обычно Дх и А2 выбирают существенно меньшими, чем измеряемая величина л;, и равными друг другу. Интервалы х —Д2 и л'-f-Ai называют доверитель­ ными интервалами. Вероятность того, что истинная величина х и окажется внутри этого интервала, называют доверительной вероятностью Рд, что может быть записано

где Р — вероятность выполнения соответствующих неравенств. Доверительная вероятность Рл при заданном доверительном интервале является количественной мерой степени достовер­

ности результата измерений.

Разность А = х —хн называют абсолютной погрешностью, а величину А/хи— относительной погрешностью. При определе­ нии погрешностей истинное значение д:и заменяют действитель­ ным значением хд, т. е. полагают хи« х д. Практически в качест­ ве ха можно использовать значения мер измеряемой величины или показания образцовых приборов.

Наиболее полную характеристику погрешностей измерений дает дифференциальный закон распределения вероятностей погрешности. Для его определения вблизи конкретного значе­ ния хл необходимо произвести многократные независимые измерения одной и той же величины хл. В результате получается ряд значений измеряемой величины х и х 2, ...» *, ...» х„. Этому ряду соответствует ряд погрешностей Af = xf—хл. Затем строится гистограмма зависимости Pi(A)=nil(nbi)i где 5,-— выбранная ширина интервала по шкале А; щ— число значений погреш-

170