Опыт изучения магнитоупругого эффекта в кольцевых ферритовых сердечниках датчиков усилий и его применение для барометрических измерений в скважинах

Рис. 3. К моделированию нейтронной сети: а - исходное тестовое изображение; б - изображение после нейросетевой обработки; в - изображение после цифровой обработки

С целью оценки качества функционирования двух методов, согласно указанному выше критерию, путем вычисления Евклидова расстояния определены расхождения эталонного и полученных в результате нейро- и цифровой обработки векторов изображений в ^-мерном пространстве. Нормированные расхождения составили: 0,431 для нейронной сети и 0,933 для цифрового фильтра, где за единицу условно принято расхождение эталонного с исходным (зашумленным) изображением.

Сравнивая результаты работы двух методов по рис. 3б и 3в, видим, что в обоих случаях все элементы, находящиеся внутри односвязных контуров объектов, удалены. Оставлены лишь информативные признаки, соответствующие границам объектов, и шумы. Цифровой метод вносит некоторое искажение исходной полутоновой матрицы, заключающееся в смещении границ объектов. Уровень шума в этом случае практически не снижается, что и дает высокую величину расхождения.

Нейросетевой метод обеспечивает более эффективное подавление шума и точное определение информативных признаков объектов, искажений их контуров практически не происходит (рис. 3б), о чем говорит более чем в два раза меньшая оценка расхождения векторов в ^-мерном пространстве.

Ростовский военный институт ракетных войск

Заключение

Полученные результаты моделирования нейросе-тевого метода определения геометрических неодно-родностей объектов на полутоновых изображениях свидетельствуют об обоснованности его применения к подобным задачам по сравнению с традиционными цифровыми. Нейронная сеть является достаточно простой, однослойной, без каких-либо алгоритмов обучения. Однако даже такая ее архитектура обеспечивает более приемлемое решение задачи определения информативных признаков полутоновых изображений в условиях шумов.

Литература

1. Анисимов Б.В., Курганов В.Д., Злобин В.К. Распознавание и цифровая обработка изображений: Учеб. пособие для студентов вузов. М., 1983.

2. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика /Пер. с англ. Ю.А. Зуева, В.А. Точенова. М., 1992.

3. Кольцов П.П., Прохоров В.В. Нейрообработка визуализированной информации. М., 1997.

4. Кревецкий А.В. Распознавание трехмерных объектов по

форме пространственных контуров // Автометрия. 2001. № 2. С. 21-30.

5. Huang T.S. (ed.), Eklundh J.-O., Justusson B.I., Nussbaumer H.J., Tyan S.G., Zohar S.: Two-Dimensional Digital Signal Processing II: Transforms and Median Filters. Berlin; Heidelberg; New York, 1981.

16 июля 2003 г.

УДК 681.3:622.24

ОПЫТ ИЗУЧЕНИЯ МАГНИТОУПРУГОГО ЭФФЕКТА В КОЛЬЦЕВЫХ ФЕРРИТОВЫХ СЕРДЕЧНИКАХ ДАТЧИКОВ УСИЛИЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ БАРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В СКВАЖИНАХ

© 2004 г. Л.А. Видовский

Принцип действия магнитоупругих датчиков усилий (МДУ) основан на использовании проявления магнитоупругого эффекта. Магнитоупругий эффект заключается в изменении намагниченности ферромагнитных тел под действием механических напряжений. Изменение магнитных свойств чувствительного элемента, снабженного обмотками, фиксируется электрической схемой.

Простота конструкции, отсутствие в ней движущихся деталей и обусловленная этим высокая прочность и надежность; значительная чувствительность и

возможность применения без усилителей - таковы основные достоинства магнитоупругих датчиков. Для их изготовления в основном используются три группы магнитоупругих материалов; железоникелевые сплавы с содержанием никеля от 50 до 70 %, железо-кремниевые сплавы с 2-4 % кремния, специальные магнито-упругие материалы

В данной работе рассматриваются магнитоупру-гие датчики с ферритовыми чувствительными элементами. Целесообразность применения ферритов в каче-

стве чувствительного к механическим воздействиям датчика обусловлена следующими обстоятельствами:

1. Ферриты обладают большой тензочувствитель-ностью.

2. Промышленностью серийно выпускаются в больших количествах ферритовые изделия соответствующих типоразмеров, пригодные для изготовления магнитоупругих датчиков.

3. Дешевизна чувствительного элемента.

4. Большая жесткость ферритового чувствительного элемента, что в некоторых случаях является определяющим требованием.

К основным недостаткам ферритовых элементов, чувствительных к механическим напряжениям, относятся нестабильность характеристик и их значительная температурная зависимость.

Ниже приведены результаты выполнявшихся в течение ряда лет исследований магнитоупругих свойств ферритовых кольцевых сердечников для разработанных нами конструкций датчиков усилия с ферритовым чувствительным элементом. Обобщая результаты этих многолетних исследований, можно сделать следующие выводы.

1. Магнитоупругий эффект является четным и поэтому зависимости индуктивности качественно имеют одинаковый вид как при сжатии, так и при растяжении. С ростом напряжений в кольце его индуктивность уменьшается после достижения момента, при котором наступает равенство давлений, действующих на внешнюю и внутреннюю цилиндрические поверхности ферритового кольца.

2. Если одно из давлений равно нулю, то с ростом другого сразу начинает уменьшаться индуктивность ферритового кольца с обмоткой.

Из второго вывода следует, что если зависимость магнитной проницаемости от напряжения в феррито-вом кольце м(б), полученная при равенстве одного из давлений атмосферному, унимодальна, то в материале кольца имелись внутренние напряжения, численно равные тем, которые возникают при давлении, соответствующем максимуму индуктивности, а по знаку -противоположные знаку напряжений от приложенного внешнего давления.

Унимодальность зависимостей м(б) является с метрологической точки зрения весьма негативным явлением, так как приводит к неоднозначности отсчета показаний МДУ в некоторой области измерения. Это обстоятельство ограничивает применение МДУ с ферритовым сердечником областью больших давлений.

Разбраковка ферритовых колец с целью отбора имеющих монотонно убывающую зависимость м(б) является весьма неэффективным мероприятием, так как требует больших затрат времени на вспомогательные работы: помещение кольца в устройство для создания в нем механических напряжений, наложение обмотки, снятие зависимости м(б) при различных температурах. Последнее необходимо потому, что у некоторых колец с ростом температуры зависимость м(б) может из монотонно убывающей перейти в уни-

модальную. При этом необходимо следить, чтобы этот переход не был вызван наложением на испытуемое кольцо дополнительных нагрузок, например вследствие различия коэффициентов теплового расширения феррита и материала устройства для создания механических напряжений в феррите.

При измерении больших давлений, когда рабочая область напряжений в феррите больше 8, при котором имеет место экстремум зависимости м(б), унимодальность характеристики не играет роли. Для измерения больших давлений предпочтительна схема МДУ, при которой внутренняя полость ферритового сердечника герметизирована, и давление в ней равно атмосферному, а измеряемое давление воздействует на внешнюю цилиндрическую поверхность ферритового кольца.

В связи с этим далее основное внимание было уделено рассмотрению магнитоупругого эффекта в ферритовом кольце при его радиальном сжатии. Экспериментально установлено следующее.

3. Одностороннее радиальное сжатие ферритовых колец вызывает значительные обратимые изменения их индуктивности. Увеличение давления от атмосферного до 9,0 МПа вызывает уменьшение индуктивности колец марки 1000 НМЗ в 1,69 раза, 1500 НМЗ - в 1,61 раза, 2000 НМ - в 2,4 раза, 3000 НМ - в 3,24 раза, 6000 НМ-А - в 2,87 раз и сердечников из пяти склеенных колец 2000 НМ-А - в 2,09 раза.

Следовательно, с целью получения более чувствительных датчиков усилия их целесообразнее изготавливать из ферритов 2000 НМ1, 3000 НМЗ, 6000 НМ-А.

4. Температура оказывает существенное влияние на значение индуктивности ферритовых колец при атмосферном давлении и на зависимость изменения индуктивности от радиального сжатия. Изменения температуры от 25 до 95 оС вызывают наибольшее относительное изменение индуктивности при данном давлении у ферритов 1000 НМЗ и 6000 НМ-А. Наименьшие изменения наблюдались у ферритов 1500 НМЗ. Для ферритов 1000 НМ3, 2000 НМ1 и 9000 НМ-А влияние температуры наибольшее при малых давлениях (менее 2,0 МПа). С ростом давления влияние температуры для них уменьшается, поэтому МДУ из ферритов данных марок более подходяще для измерения больших давлений.

5. У всех исследованных ферритов наблюдается гистерезис изменения индуктивности в функции ради-ально-сжимающего давления: значения индуктивности при уменьшении давления меньше значений индуктивности, полученных при увеличении давления. При малых давлениях (менее 1,0 МПа) наблюдается изменение знака гистерезисной ошибки у всех исследованных ферритов, кроме 6000 НМ-А и 1000 НН. Максимальная величина гистерезисной ошибки, выражаемая в процентах от значения индуктивности кольца, полученной при «ходе вперед» при этом же значении давления, не превышает 4,25 % для ферритов 1000 НМЗ, 5,02 % - для 1500 НМЗ, 5,34 % для 2000 НМЗ и 16,6 % - для 6000 НМ-А. Закономерности влияния температуры на величину гистерезисной

ошибки не наблюдается. Это свидетельствует о том, что величина гистерезисной ошибки мало зависит от температуры, а определяется временем выдержки феррита при данном давлении (влияние дезаккомода-ции), величиной максимальной нагрузки, а также необратимыми процессами в материале феррита.

6. С ростом температуры от 25 до 95 °С чувствительность к радиальному сжатию ферритов 1000 НМЗ и 2000 НМ1 увеличивается при всех давлениях, кроме интервала от 0 до 1,0 МПа, на котором у 2000 НМ1 тензочувствительность уменьшается, а при 75 и 98 °С даже меняет знак. У ферритов 1500 НМ3 наблюдается снижение тензочувствительности при увеличении температуры от 25 до 75 оС, а при дальнейшем увеличении температуры тензочувствительность растет, достигая для исследованного интервала температур максимума при 95 оС. При давлениях до 1,0 МПа тензочувствительность ферритов 1500 НМ3 уменьшается с ростом температуры и уже при 50 °С меняет знак.

Особенно велики изменения тензочувствительно-сти ферритов в интервале давлений от 0 до 2-3 МПа. Тензочувствительность при 95 оС достигает 387 %, у 6000 НМ-А, 143 % у 1000 НМЗ и 140 % у 2000 НМ1 от тензочувствительности, имевшей место при 25 оС. При больших давлениях температурные изменения тензочувствительности уменьшаются (87-118 % у 6000 НМ-А, 125-132 % у 1000 НМЗ и 112-116 % у 2000 НМЗ). У ферритов 1500 НМЗ температурные изменения тензочувствительности не превышают 10,5 % при давлениях от 2,0 до 5,0 МПа и 7 % при больших давлениях.

7. Наибольшее значение коэффициента вариации индуктивности колец наблюдается у ферритов 1000 НМ3 (от 4,95 до 18 % при различных нагрузках), что свидетельствует о большом разбросе магнитоупругих свойств образцов в партии данной марки феррита. Наименьшие значения коэффициента вариации индуктивности колец наблюдаются у ферритов 2000 НМ1 (от 3,12 до 7,42 % при различных нагрузках). Следовательно, при изготовлении МДУ из ферритов 2000 НМ1 разброс их метрологических характеристик будет меньше, чем в случае использования ферритов 1000 НМ3, 1500 НМ3 или 6000 НМ-А.

Следует иметь в виду, что вследствие особенностей технологии изготовления ферритов наблюдается большой разброс магнитоупругих свойств ферритов одной марки, но разных партий изготовления или разных типоразмеров. Обычно при изготовлении МДУ из ферритов, с целью получения меньшей начальной частоты, склеивают несколько ферритовых колец в один сердечник, что вследствие усреднения приводит к некоторому уменьшению коэффициента вариации индуктивности сердечников.

При склеивании сердечника в ферритовых кольцах возникают механические напряжения, обусловленные усадкой клея. После склеивания требуется подвергнуть склеенный сердечник специальной термообработке, чтобы уменьшить возникшие при усадке клея механические напряжения.

8. Таким образом, установлено, что для изготовления МДУ из ферритов исследованных марок целесообразно использовать ферриты марки 2000 НМ1. При радиальном сжатии МДУ из феррита 2000 НМ1 будут уступать в чувствительности к давлению МДУ из ферритов 3000 НМ и 6000 НМ, однако им присущи меньшие гистерезисные явления, коэффициент вариаций индуктивности колец в партии и температурные изменения тензочувствительности.

На основании изложенного был разработан маг-нитоупругий датчик усилий [1] и на его базе заколон-ный измеритель давления и температуры ЗИД-1. В зависимости от модификации скважинного снаряда ЗИД-1 возможно измерение температуры и одного из следующих давлений: жидкой (газообразной) фазы среды, твердой фазы среды, полное давление [2]. Давление и температура в виде электрических сигналов передаются к наземной регистрирующей аппаратуре по каротажному геофизическому кабелю. Наличие канала связи позволяет осуществлять контроль в реальном времени, а также передачу информации от датчика, который невозможно извлечь назад из среды измерений, например датчик в цементном камне зако-лонного пространства, однако канал связи существенно усложняет тарировку датчиков и, главное, спуск датчика в скважину. К тому же стоимость каротажного кабеля превышает стоимость самого спускаемого в скважину снаряда.

Для исключения проблемы канала связи в тех технологических ситуациях, где это допустимо, для расширения области применения разработан автономный погружной внутрискважинный измеритель давления и температуры ВИД-1. После подъема измерителя из скважины он подключается через модуль сопряжения к компьютеру, осуществляется считывание информации из запоминающего устройства, восстановление по тарировочным характеристикам датчиков кривых изменения во времени давления и температуры.

ВИД-1 состоит из блока датчиков с частотным выходом электрического сигнала, блока генерации управляющих сигналов, блока записи цифровых сигналов и блока питания, размещенных в корпусе, аналогичном выпускавшимся отечественной промышленностью манометрам типа МГГ.

Пределы измерения давления от 2,0 до 40,0 МПа, температуры от 20 до 80 градусов.

Предел допускаемой основной приведенной погрешности в процентах от верхнего предела измерений по давлению - 2 %; по температуре - 1,5 %.

Интервал времени между записями в память показаний датчиков устанавливается перед запуском прибора и может быть 2 с, 4 с, 8 с, 16 с, 1 или 2 мин.

Время пребывания измерителя в скважине определяется емкостью запоминающего устройства, интервалом между измерениями, емкостью источника питания и может составлять до 7 суток. Запоминающее устройство имеет автономное питание и сохраняет информацию даже при отключении основного источника.

В целом чувствительность достаточно высока, порядка 60 герц на 0,1 МПа, но существенная нелинейность и даже возможная смена ее знака при давлении порядка 0,5 -1,0 МПа осложняют пересчет частотного сигнала датчика в измеряемое давление. Смена знака и низкая чувствительность при малых давлениях обусловили нижний предел измерения давления в 2,0 МПа. Верхний предел работоспособности будет определяться механической прочностью конструкции и в первую очередь кольцевыми уплотнениями, примененными в конструкции датчика, и в принципе может быть увеличен до 100,0 МПа.

Для пересчета частотного сигнала датчика давления в атмосферы применены регрессионные модели в виде полиномов разных степеней. Так, принятая нами замена тарировочной кривой регрессионной моделью пятой степени вносит приведенную к верхнему пределу измерений погрешность максимум 0,5 % , а в среднем по диапазону до 40,0 МПа в два раза меньше.

Из сопоставления тарировок, полученных при разных температурах с перерывом во времени в четыре месяца, следует, что чувствительность меняется и от температуры, и от времени, в пределах +0,005 МПа. Причем при больших давлениях чувствительность практически не меняется.

Для чтения выполненных измерений ВИД-1 подключается к IBM PC через специальный модуль сопряжения к LPT порту. Так как тарировочные характеристики каждого экземпляра прибора индивидуальны, то и в драйвер модуля сопряжения для работы с данным экземпляром прибора для достоверности второго файла должны быть введены коэффициенты регрессионных моделей, построенных по тарировоч-ным данным этого прибора.

В настоящее время опытные экземпляры ВИД-1 прошли лабораторные и промысловые испытания. Прибор находится в стадии опытной эксплуатации.

Работа финансируется РФФИ, проект, 02-07-90479.

Литература

1. А.с.1183845 СССР.1983. Магнитоупругий датчик давления / А.Л. Видовский, Л.А. Видовский, А.В. Татаринов, В.П. Морозов, П.Т. Нечепуренко.

2. Видовский А.Л. Методика измерения давления и температуры в зацеменетированной части заколонного пространства скважины аппаратурой ЗИД-1. Краснодар, 1975. Ротапринт ВНИИКРнефти.

2 сентября 2003 г.

Кубанский государственный технологический университет

УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В АДАПТИВНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ КЛАССИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

© 2004 г. И.В. Вахненко, В.А. Велегура

Одним из приоритетных направлений развития радиотехнических систем, определяющих местоположение источников радиоизлучения, является повышение их угловой разрешающей способности. Исследования показывают [1], что для пеленгования источников в азимутальной плоскости приемная антенна должна иметь узконаправленную диаграмму с возможностью ее кругового вращения. Такой антенной [2] может быть кольцевая антенная решетка (АР) из ненаправленных излучателей.

В работе исследуется математическая модель процесса пеленгования нескольких источников путем классического метода обработки сигналов в АР.

Рассмотрим М-элементную АР, принимающую одновременно сигналы К источников. Выходной сигнал АР, осуществляющей взвешенное суммирование напряжений датчиков (элементов АР), может быть записан в виде

и

K

где Y (0 = £ SkUk ^) + N(t) - вектор сигналов на выхо-

k =1

дах элементов решетки; Sk - вектор-строка размерности 1 х М , элементы которой определяются соотношением Smk = ехр[-/'к (хтсоБфк + >^тфк)]; П (0 -функция, описывающая временную зависимость к-го сигнала; Ж = {^ь..., wM} - вектор-строка весовых коэффициентов; хт, ут - координаты т-го излучателя (т = 1, М); к = 2 п/Х - волновое число свободного пространства; X - длина волны; фк - угловое положение к-го (к = 1, К) источника сигнала; N (0 = {п (/), пм (0} - вектор-строка сигналов тепловых шумов в элементах решетки.