Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭВП 14
1.1 Специфика задач и методов исследования 14
1.1.1 Общая характеристика проблемы повышения электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении ЭВП 14
1.1.2 Импульсный электрический пробой в вакууме 17
1.1.3 Исследования импульсной электрической прочности вакуумной изоляции в электровакуумном производстве 21
1.1.4 Подходы к моделированию процесса инициирования импульсного пробоя в вакууме 26
1.1.5 Вычислительный эксперимент 34
1.2 Обзор методов и средств автоматизации научных исследований 44
1.2.1 Научное исследование как объект автоматизации 44
1.2.2 Обобщённая структура систем автоматизации научных исследований 47
1.2.3 Существующие системы автоматизации научных исследований 50
1.3 Постановка задачи 53
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭВП 56
2.1 Формализация процесса исследования 56
2.1.1 Модель процессов 5 6
2.1.2 Модель объектов 68
2.2 Численное моделирование 71
2.2.1 Модель джоулева инициирования импульсного пробоя в вакууме 72
2.2.2 Численное решение 76
2.3 Вычислительные алгоритмы ,— 81
2.3.1 Моделирование вакуумного пробоя 81
2.3.2 Анализ результатов вычислительного эксперимента з
2.3.3 Верификация вычислительных алгоритмов 99
2.4 Методика оценки импульсной электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении ЭВП 113
3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ АСНИ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ 118
3.1 Структурная модель 118
3.2 Организация диалога пользователя с АСНИ 126
3.3 Информационная база автоматизированной системы 137
4 ПРИМЕНЕНИЕ АСНИ В ЗАДАЧАХ ПОВЫШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭВП 144
4.1 Качество поверхности катода 144
4.2 Электрическая прочность 148
4.3 Метод повышения электрической прочности 153
4.4 Оценка эффективности автоматизации исследований импульсной электрической прочности вакуумной изоляции при производстве ЭВП 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 161
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 163
ПРИЛОЖЕНИЕ А 177
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 178
ПРИЛОЖЕНИЕ В 179
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 182
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 183
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 184
ПРИЛОЖЕНИЕ И 1
Введение к работе
Актуальность работы. Применение современных средств автоматизации наиболее эффективно в тех областях науки и техники, которые имеют дело с использованием больших объёмов информации. Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) способствуют повышению производительности труда в исследовательских и испытательных подразделениях, улучшению технико-экономических и качественных показателей продукции, сокращению дорогостоящих натурных испытаний, исключению некоторых стадий опытно-конструкторских работ и уменьшению продолжительности рабочего цикла, что приводит к снижению затрат на производство и увеличению выхода годных изделий, снимаемых с оборудования. Одной из возможных областей применения АСНИ является исследование импульсной электрической прочности вакуумной изоляции на заключительных операциях процесса изготовления электровакуумных приборов (ЭВП).
Электровакуумное производство отличается большим разнообразием технологических процессов и методов, материалов и оборудования. Вопросы повышения качества и надёжности ЭВП относятся к числу важнейших и обеспечиваются проведением обширных теоретических и экспериментальных исследований. Одним из важнейших направлений повышения надёжности ЭВП является повышение электрической прочности вакуумной изоляции. К настоящему времени получены значительные экспериментальные [1-14] и теоретические [15-28] результаты по физике процессов, приводящих к возникновению и развитию электрического пробоя вакуумной изоляции. Однако достижение высокой электрической прочности ЭВП остается актуальной научной задачей [7, 19-21].
Для исследования прочностных характеристик вакуумной изоляции, наряду с дорогостоящим натурным экспериментом, используются методы математического моделирования и вычислительного эксперимента. В виду сложности процессов, приводящих к инициированию вакуумного пробоя, основное внимание исследователей направлено на составление и совершенствование математических моделей [16-17,22-28]. При этом реализация вычислительного эксперимента осуществляется с помощью систем математических расчётов [29-34], затрудняющих проведение серии вычислительных экспериментов, а выполнение анализа полученных данных обеспечивается дополнительными программными средствами.
Таким образом, в виду важности автоматизации процессов, сопровождающих исследования импульсной электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении ЭВП, разработка программного инструмента, обеспечивающего проведение серии вычислительных экспериментов, анализ и систематизацию полученных данных, является актуальной.
Объект исследования - процесс повышения импульсной электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении ЭВП.
В качестве предмета исследования выступают модели, алгоритмы и методы, определяющие режимы импульсной обработки ЭВП.
Цель диссертационного исследования состоит в повышении качества и надежности электровакуумных приборов за счёт оптимизации параметров импульсной обработки электродов в результате использования автоматизированной системы, реализующей вычислительный эксперимент по инициированию электрического пробоя вакуумной изоляции.
Задачи, решаемые для достижения цели исследования:
1. Систематизация и совершенствование процессов исследования импульсной электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении ЭВП на основе применения математических методов и средств вычислительной техники.
2. Разработка методики расчёта импульсной электрической прочности вакуумной изоляции, обеспечивающей автоматизацию трудоёмких работ и замену натурных испытаний математическим моделированием при тренировке ЭВП.
3. Анализ математических моделей инициирования пробоя вакуумной изоляции ЭВП с возможностью их распространения на импульсы напряжения с конечным фронтом.
4. Разработка алгоритмов, структуры и информационного обеспечения системы, реализующей вычислительный эксперимент по инициированию импульсного пробоя в вакууме и обеспечивающей оценку электрической прочности вакуумной изоляции для выбора параметров импульсной обработки ЭВП.
5. Разработка АСНИ импульсной электрической прочности вакуумной изоляции.
6. Разработка метода повышения импульсной электрической прочности вакуумной изоляции.
Методы и средства исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы теории систем и системный анализ, теории вычислительных процессов, численные методы решения дифференциальных уравнений и методы аналитической аппроксимации, методы объектно-ориентированного программирования.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается сравнением расчётных данных с результатами натурного эксперимента.
Научная новизна
1. Математическая модель инициирования импульсного пробоя вакуумной изоляции ЭВП, базирующаяся на модели джоулева разогрева эмиттера термоавтоэлектронным током большой плотности, отличающаяся учётом линейного нарастания напряжения на фронте импульса, впервые применена для высоковольтных импульсов с конечным фронтом.
2. Разработаны алгоритмы, реализующие вычислительный эксперимент по инициированию электрического пробоя в вакууме, основанные на методе прогонки, отличающиеся обработкой точек разрыва и изменением шага аппроксимации.
3. Разработаны алгоритмы анализа результатов вычислительного эксперимента для оценки электрической прочности вакуумной изоляции ЭВП, использующие алгоритм сортировки, отличающиеся процедурой группировки данных по заданным параметрам.
4. Предложена методика оценки импульсной электрической прочности вакуумной изоляции ЭВП, основанная на вычислительном эксперименте по инициированию импульсного пробоя в вакууме и отличающаяся использованием импульсов микро- и наносекундной длительности.
5. Разработана структура автоматизированной системы исследования электрической прочности вакуумной изоляции.
6. Предложен метод повышения электрической прочности вакуумной изоляции, базирующийся на модели джоулева инициирования вакуумного пробоя и отличающийся реализацией оптимального режима импульсной обработки электродов вакуумного промежутка ЭВП.
Практическая значимость
Использование разработанных вычислительных средств позволило сократить продолжительность исследований по оценке импульсной электрической прочности вакуумной изоляции ЭВП в 3 раза и увеличить точность оценки на -12% по сравнению с существующими методами. Применение разработанных алгоритмов позволило расширить диапазон напряжённости электрического поля, используемой при обработке электродов ЭВП, в 1,5 раза, сократить время одного прогона модели в 2,6 раза, а объём затрачиваемой оперативной памяти в 10 раз.
Предложенная методика расчёта позволяет оценивать максимальную электрическую прочность вакуумной изоляции для электродов из разных материалов на импульсах напряжения различной формы в диапазоне длительностей Ю-11 ґн 10"4с. Разработан способ повышения электрической прочности вакуумной изоляции, реализующий оптимальный режим обработки электродов вакуумного промежутка высоковольтными импульсами наносекунднои длительности при тренировке ЭВП (Патент РФ № 2241277, Приложение А).
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты, полученные в диссертации, внедрены при разработке вакуумных конденсаторов на ФГУП "НИИ Электронно-механические приборы" (г. Пенза, Приложение Б), использованы при выполнении работ по гранту РФФИ № 08-08-07029, в научных исследованиях на кафедрах «Физика» и «Автоматизированные станочные и инструментальные системы», а также - в учебном процессе дисциплины «Физика» ОрёлГТУ (г. Орёл, Приложение В).
Положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель инициирования вакуумного пробоя для импульсов напряжения с конечным фронтом.
2. Алгоритмы, реализующие вычислительный эксперимент по инициированию импульсного пробоя в вакууме и анализирующие полученные результаты.
3. Методика расчёта электрической прочности вакуумной изоляции на импульсах нано- и микросекундной длительности.
4. Структура автоматизированной системы оценки импульсной электрической прочности вакуумной изоляции.
5. Метод повышения электрической прочности вакуумной изоляции.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 185 страницах машинописного текста, включающего 63 рисунка, две таблицы, список литературы из 117 наименований и 9 приложений.
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационного исследования, сформулированы цели и задачи работы, отмечена научная новизна и практическая значимость результатов, апробация работы и достоверность результатов, дано краткое изложение работы по главам.
В первой главе выполнен обзор работ, посвященных исследованиям электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении ЭВП. Рассмотрена специфика задач и методов исследования, определены направления исследований и выделены подходы к моделированию процесса инициирования вакуумного пробоя. Проведен обзор методов и средств автоматизации научных исследований. Дана постановка задач диссертационного исследования.
Во второй главе рассмотрена формализация процесса исследования импульсной электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении ЭВП. Разработана прецедентная и объектная модели научного исследования, предложена модель инициирования импульсного пробоя в вакууме на импульсах напряжения с конечным фронтом на основе известной модели. Разработаны вычислительные алгоритмы, обеспечивающие реализацию основных процессов исследования. Проведена верификация разработанных алгоритмов. Предложена методика оценки импульсной электрической прочности вакуумной изоляции.
Третья глава посвящена разработке структуры автоматизированной системы, организации диалога пользователя с АСНИ и структуре информационной базы автоматизированной системы.
В четвертой главе приведены основные результаты вычислительного эксперимента, иллюстрирующие работу автоматизированной системы и подтверждающие адекватность её алгоритмов в задачах повышения электрической прочности вакуумной изоляции при тренировке ЭВП. Построены зависимости максимальной электрической прочности от
длительности импульсов в диапазоне КГ11 tu 10 4с, а также зависимости напряжения пробоя и электрической прочности от межэлектродного расстояния в диапазоне 3-10 d 2-\0 мм. Оценено качество катодной поверхности в результате обработки импульсами /н = t3. Предложены метод повышения электрической прочности вакуумной изоляции при изготовлении эвп.
В заключении сформулированы основные выводы по результатам работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на Международных и Всероссийских симпозиумах и конференциях:
- XV и XVI научно-технические конференции «Вакуумная наука и техника», Дагомыс, 2008 г. и Сочи, 2009 г.;
- Международная научно-практическая конференция «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях», Брянск, 2009 г.;
- XXIII и XXII Международные симпозиумы по разрядам и электрической изоляции в вакууме (XXIII-d International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV), Romania, Bucharest, 2008г.; XXII-nd ISDEIV, Japan, Matsue, 2006r.);
- 4-я Международная конференция Азии и Австралии по вакуумным и поверхностным наукам (4h Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia, Japan, Matsue, 2008 г.);
- 3-я Международная конференция по физике электронных материалов (ФИЭМ-08), Калуга, 2008 г.;
- Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томск, 2007 г.
Результаты исследований отмечены благодарностью Губернатора Орловской области (2008 г., Приложение Г), дипломами Минобрнауки РФ по разделу «Электроника и автоматика физических установок» (приказы № 201 от 15.07.05 г. и № 167 от 28.03.2006 г., Приложения Д-Е) и дипломом Третьей Российской студенческой НТК «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2007 г., Приложение Ж). Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в работах:
1. Емельянова, Е.А. Программный комплекс для реализации вычислительного эксперимента по инициированию импульсного пробоя в вакууме [Текст] / Е.А. Емельянова // «Информационные системы и технологии» Известия ОрёлГТУ, 2009. - № 4/54(567). - С. 32-35.
2. Емельянова, Е.А. Использование АСНИ на этапе технической подготовки электровакуумного производства [Текст] / Е.А. Емельянова //МНПК «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях», Брянск, 2009. -С.23.
3. Емельянова, Е.А. Электрическая прочность вакуумной изоляции на импульсах напряжения с конечным и бесконечно коротким фронтом [Текст] / Е.А. Емельянова // XVI НТК «Вакуумная наука и техника», Сочи, 2009, С. 299-302.
4. Емельянова, Е.А. Алгоритм обработки критической ситуации при численном моделировании процесса инициирования вакуумного пробоя [Текст] / Е.А. Емельянова // Известия ОрёлГТУ, 2008. - № 3/271(546). - С. 39-42.
5. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ «Автоматизированная система моделирования и анализа вакуумного пробоя» / Е.А. Емельянова. - RU № 200861289, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 июня 2008.
6. Свидетельство о государственной регистрации базы данных «Моделирование вакуумного пробоя» / Е.А. Емельянова. - RU №2008620317, зарегистрировано в Реестре баз данных 9 декабря 2008.
7. Emelyanova, Е.А. Application of the model of emitter Joule heating to the estimation of the electric strength of vacuum insulation [Текст] I E.A. Емельянова II Материалы 3-й Международной конференции «Физика электронных материалов», Калуга, 2008г. - Том 1. - С.284-287.
8. Емельянова, E.A. Электрическая прочность вакуумной изоляции на косоугольной волне напряжения [Текст] / Е.А. Емельянова // XV НТК «Вакуумная наука и техника», Дагомыс, 2008, С. 203-207.
9. Emelyanova, E.A. Estimation of Pulse Electric Strength of Vacuum Insulation [Текст] I E.A. Emelyanova II XXIII-d ISDEIV, Romania, Bucharest, 2008.-V. 2.-P. 443-447.
10. Emelyanova, E.A. The Quality of Copper Cathode Surface at Optimum Modes of Electrodes Conditioning in Vacuum [Текст] / Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia-4, Matsue, Japan, Program and abstracts, 2008.-P. 575.
11. Emeiyanov, A.A. Pulsed electric strength of vacuum gaps [Текст] I A.A. Emeiyanov, E.A. Emelyanova II IEEE TDEI (USA), 2008. - V. 15. - Iss. 2. -P. 591-599. -ISSN: 1070-9878.
12. Емельянова, E.A. Автоматизированная система моделирования и анализа пробоя в вакууме [Текст] / Е.А. Емельянова. - Четвертая МНПК «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», Томск, ТУСУР, 2007. - С. 288-290.
13. Емельянов, А.А. Влияние длительности фронта импульса на электрическую прочность вакуумного промежутка [Текст] / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова//ЖТФ, 2007. - Т. 77. - Вып. 1.-С. 117-120.
Emeiyanov, А.А. Effect of the pulse leading-edge time on the dielectric strength of a vacuum gap [Текст] I A.A. Emeiyanov, E.A. Emelyanova// Tech. Phys.,2007.-V. l.-N. l.-P. 113-116.
Emeiyanov, A.A. Effect of the pulse leading-edge time on the dielectric strength of a vacuum gap [Электронный ресурс] I A.A. Emeiyanov, E.A. Emelyanova. - http://www.springerlink.com/content/tl2335jlm085628t/?p=c3 2Ь9ееса Ь8а49е 5b d508fe4fc5bdc0a&pi=6- Систем, требования: ПК 486 или выше; 8 Мб ОЗУ; Windows 3.1 или Windows 95; SVGA 32768 и более цв.; 640x480; Internet Explorer 4.0 и выше. - Загл. с экрана. 14. Emelyanova, E.A. Pulsed electric strength and full-voltage effect [Текст] I E.A. Emelyanova II Proc. XXIIh ISDEIV, Japan, Matsue, 2006. - V. 1. -P. 41-44.
15. Патент 2241277 RU, CI 7 HOI J 21/00. Способ повышения электрической прочности вакуумной изоляции [Текст] / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова; заявитель и патентообладатель ОрёлГТУ. - № 2003127326 ; заявл. 08.09.03 ; опубл. 27.11.04, Бюл. № 33. - 3 с. : ил.
