4. Автоматизация приборов и систем измерения и контроля качества.

0. Задачи и технические средства автоматизации

Разработка инновационных проектов, а также модернизация приборов и систем измерения и контроля качества включают повышение уровня их автоматизации. Под автоматизацией понимают замену человека, выполняющего какие-либо функции, техническими средствами.

Задачами автоматизации являются

- устранение или минимизация «человеческого фактора» при выполнении функций системой или прибором;

- достижение заданных показателей качества при реализации автоматизируемых функций.

В проблемной области измерения и контроля основными показателями качества являются точность, быстродействие, уровень автоматизации.

Под уровнем автоматизации понимают отношение числа автоматизированных функций к общему числу функций, которые необходимо выполнить.

С точки зрения автоматизации системы и приборы подразделяются на автоматические и автоматизированные. В первых человек отсутствует, во вторых присутствует человек-оператор или лицо, принимающее решение (ЛПР).

Технические средства автоматизации разнообразны, далее будут использованы следующие виды их классификации:

- аналоговые и дискретные,

- аппаратные и программные,

- локальные и распределенные.

Основой современных измерительных систем и приборов является цифровой вольтметр. Добавление к цифровому вольтметру первичного преобразователя определяет его проблемную или объектную ориентацию.

При построении автоматизированных приборов и систем измерения и контроля качества используются промышленные микропроцессорные контроллеры, линии связи, исполнительные устройства.

Решение задач передачи и приема информации включает реализацию интерфейсных функций, кодирования и передачи сообщений в условиях помех или противодействия (для военных и противоугонных систем).

0. Микроконтроллеры.

Неослабевающие темпы роста сложности технологических объектов и требований к качеству управления ими влекут за собой необходимость использования в системах управления средств вычислительной техники, многофункциональность которых позволяет обеспечить множественность режимов управления, повы­сить способности системы к адаптации, обеспечить требуемые надежностные харак­теристики.

К числу задач, ставящихся перед системами управления, традиционно от­носятся следующие [4-1]:

- формирование сложных импульсных последовательностей;

- определение длительности временных интервалов;

- аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование;

- ввод-преобразование-вывод цифровых кодов и другие.

С 70-х годов разработчики систем управления стали использовать вычис­лительные системы на базе микропроцессоров, выпуск которых был впервые освоен фирмой Intel.

Появление первого микропроцессора связано с идеей соединить БИС арифметическо-логического устройства (АЛУ), управляемую внешними кодовыми сигналами, несредственно с блоком запоминающего устройства. Первый 4-разрядный микропроцессор Intel 4004 обладал весьма ограниченными возможностями, но был открыт путь для развития этой плодотворной идеи.

Применение этой технологии разработки сис­тем управления позволяло повысить скорость и эффективность проектирования но­вых систем на базе старых, снизить затраты на обнаружение и устранение неис­правностей, а также удешевить производство.

Однако в силу своих архитектурных ограничений микропроцессоры не об­ладали возможностью непосредственно решать задачи управления, и для достиже­ния поставленных целей разработчики вынуждены были снабжать их набором до­полнительных устройств: памятью программ и данных, а также набором периферий­ных элементов: таймерами, счетчиками, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, программируемыми контроллерами ввода-вывода и т.п.

Микропроцессорная (МП) система построена с использованием для обмена информацией шин данных ШД, адреса ША и управления ШУ. Программа функционирования МП занесена в энергонезависимую память ПЗУ, необходимые переменные и выборки измерений хранятся в оператив­ной памяти ОЗУ. Объект управления ОУ имеет аналоговый исполнительный меха­низм ИМ и снабжен системой аналоговых датчиков. Для возможности изме­нения оператором режимов работы системы применяется пульт управления ПУ.

Взаимодействие МП с ОУ и ПУ напрямую невозможно, и для их сопряже­ния применен ряд периферийных устройств.

Дешифратор ОС дополняет ШУ сигналами активизации устройств по их адресу. Процессор ввода-вывода ПВВ1 на основе информации с ШД под воздейст­вием сигналов с ШУ управляет мультиплексором МКХ для подачи на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП аналогового сигнала с одного из датчиков АЦП преобразует сигнал в цифровую форму и выдает его на ШД под воздействием сиг­налов с ШУ. Процессор ввода-вывода ПВВ2 передает в систему информацию о воз­действиях оператора, взаимодействуя с ПУ, Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП по коду с ШД и управляющим сигналам с ШУ выдает на ИМ ОУ управляющее воздействие.

Описанная структура с непринципиальными изменениями употреблялась в разработках достаточно часто, поэтому возникла идея интеграции наиболее часто применяемых элементов систем управления на одном кристалле.

Воплощение идеи произошло в 1978 году с выпуском фирмой 1п1е! устройства под кодовым обозначением 8048, позднее получившего название микрокон­троллер (МК) и ставшего основой систем управления, встраиваемых в робототехнические комплексы, бытовую электронику и др.

Под микроконтроллером здесь и далее подразумевается программируемое вычислительное устройство, обладающее набором периферийных устройств и ядра, применяемое для решения задач управления в технических системах.

Появившись на рынке, МК наращивали свою популярность, и в настоящее время применяются чрезвычайно широко - объем выпуска микроконтроллеров про­должает увеличиваться и составляет в настоящее время около двух миллиардов штук в год.

По области применения, структурной организации, разрядности, набору периферийных устройств, системе команд и прочим признакам МК сгруппированы в семейства, число которых достаточно велико. К наиболее ярким представителям различных семейств следует отнести 32-разрядные микроконтроллеры фирмы Motorola, 16-разрядные микроконтроллеры МСЗ-96 Intеl, RISC-микроконтроллеры AVR фирмы Аtmel, миниатюризированные РIС-контроллеры фирмы MicroChip, мик­роконтроллеры общего назначения SАВ фирмы Siemens.

Микроконтроллер представляет собой вычислительную систему, реализованную в виде одной интегральной схемы, и включает следующие основные блоки: ядро, память программ и память данных, периферийные устройства (рис 1-1).

Память программ	Ядро микроконтроллера
Память данных
Периферийные устройства

Рис. 1-1. Обобщенная структурная схема микроконтроллера.

Ядро микроконтроллера реализует процесс управления, задаваемый про­граммой. На базе микро контроллерного ядра фирмами-производителями интеграль­ных схем разрабатываются изделия, различные по номенклатуре модулей памяти и периферийных устройств, но совместимые между собой по системе команд и циклам обмена данными. Множество совместимых по этому признаку МК носит название семейства микроконтроллеров,

Память программ предназначена для хранения управляющих программ. Необходимые для процесса управления данные располагаются в памяти данных.

Периферийные устройства предназначены для обеспечения сопряжения МК с внешними объектами и аппаратной реализации ряда управляющих функций.

К числу типовых, наиболее часто интегрируемых на кристалл МК периферийных устройств, относятся следующие блоки:

- параллельные цифровые порты ввода-вывода, осуществляющие обмена данными, представленными в виде логических сигналов;

- таймеры-счетчики, осуществляющие формирование временных интервалов и выполняющие подсчет логических событий;

- узлы аппаратной обработки событий с привязкой по времени;

- цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, осуществляющие вывод и ввод непрерывных сигналов;

- последовательные порты ввода-вывода, осуществляющие обмен данными в распределенных системах;

- блоки обслуживания прерывающих событий;

- средства повышения надежности функционирования.

Каждый периферийный узел МК обладает возможностью настройки посредством записи управляющих кодов в программно доступные конфигурационные регистры узла, называемые регистрами специальных функций. Настройка позволяет производить выбор режима работы устройства (например, требуемой разрядности таймера, направления передачи данных на разрядах параллельного порта и т.п.).

Состав размещаемых на МК периферийных блоков зависит от целевого назначения устройства и определяется производителем на основе типовых задач, реализуемых на микроконтроллерах данного семейства.

0. Кодирование информации

Кодирование информации применяется при передаче сообщений.

Определение. Множество последовательностей различимых символов, сопоставляемых с передаваемыми сообщениями, назы­вается кодом.

Определение. Операция перевода сообщений в последова­тельности различимых символов (знаков) называется кодиро­ванием.

В дальнейшем нам потребуется такое понятие, как основание кода.

Определение. Количество различимых символов, применяе­мых при кодировании сообщений, называется основанием кода.

В качестве символов, которые используются при кодировании и из которых составляются различимые последовательности, при­меняются обычно цифры той или иной системы счисления. Поэтому основание кода совпадает с основанием выбранной при кодирова­нии системы счисления, а сами последовательности различимых символов являются числами этой системы.

В связи с этим можно говорить и о коде каждого отдельного сообщения, под которым можно понимать последовательность раз­личимых символов, однозначно сопоставляемую данному сообщению.

Рассмотрим классификацию кодов, применяемых для передачи сообщений по каналам связи, и в соответствии с этим представ­ляющих собой множества последовательностей различимых сигна­лов. Такие коды можно классифицировать по различным при­знакам.

Если за основу классификации принять основание, то можно различать единичные, двоичные, троичные, ... десятичные. ... и т. д. коды.

За основу классификации можно принять вид параметра оди­ночного электрического импульса (видеоимпульса), который изме­няется для получения различных цифр принятой при кодировании системы счисления. Так, у одиночных импульсов постоянного тока можно менять полярность, амплитуду, длительность импульса или длительность паузы между импульсами. У одиночных импульсов переменного тока можно менять фазу, амплитуду, длительность импульса, частоту заполнения видеоимпульса.

В соответствии с этим можно различать полярные, амплитуд­ные, временные, частотные и фазовые коды. Импульсы постоянного и переменного тока могут быть сопоставлены двум цифрам двоичной системы счисления. Можно поменять соответствие между цифрами 0 и 1 и импульсами, например, цифру 0 изображать положительным импульсом, а циф­ру 1 — отрицательным импульсом и т. д.

Для изображения 0 и 1 можно использовать группы импульсов с различными временными интервалами между ними. Если применяется не двоич­ный, а код с большим основанием, то точно также каждой цифре сообщается отличительный импульсный признак, по которому она может быть определена. Например, трем цифрам троичной системы можно сопоставить три импульса различной длительности, или амплитуды, или, допустим, частоты.

Только число полярных признаков всегда равно двум и число фазовых признаков при кодировании также не берется обычно больше двух.

Коды можно различать также по их корректирующей способ­ности:

— обыкновенные коды или безызбыточные;

— коды с обнаружением ошибок;

— коды с исправлением (с коррекцией) ошибок;

— коды с обнаружением и исправлением ошибок.

К обыкновенным или безызбыточным относятся коды, у кото­рых все числа сопоставляются переда­ваемым сообщениям, т.е. используются для их передачи.

Построение кодов с обнаружением и исправлением ошибок основано на выборе из всех чисел только таких, которые отли­чаются друг от друга не менее, чем в заданном количестве разря­дов, или, как говорят, отличаются заданным количеством знаков,

Чем в большем количестве разрядов отличаются числа, сопо­ставляемые сообщениям, тем больше корректирующая способность кода.

Коды с обнаружением ошибок и коды с исправлением ошибок можно классифицировать по весу обнаруживаемых или исправляе­мых ошибок. Например, для двоичного кода ошибка в одном двоич­ном разряде называется одиночной (вес ее равен единице), в двух — двойной и т. д. и в соответствии с этим можно различать коды с обнаружением (исправлением) одиночных, с обнаружением (исправлением) одиночных и двойных ошибок и т.д.

Линейный код можно рассматривать как подпространство векторного пространства всех последовательностей длимы п. Такая трактовка позволяет задавать правила кодирования и декодирова­ния кода при помощи матриц порождающей и проверочной,

Двоичному коду можно дать наглядную геометрическую интерпретацию. Особенно наглядную модель можно построить для трехразрядиого двоичного кода, Такой моделью является для него трехмерный куб (рис. 4.2), вершины которого имеют координаты, изображаемые двоичными числами. Принимая за единицу изме­рения расстояния в этом пространстве ребро куба, условимся рас­стояние между двумя вершинами измерять минимальным коли­чеством ребер, соединяющих эти вершины. Так, расстояние между вершинами 001 и 101 равно единице (d=1), а расстояние между вершинами 011 и 101 равно двум (d=2).

Вершины, находящиеся на расстоянии d=1 друг от друга, назовем соседними вершинами. Двоичные номера соседних вершин отличаются только в одном разряде. Если вершины находятся на расстоянии d = k, то и[ двоичные номера отличаются в k раз­рядах.

x₃

001

111

101

011

000

x₁

100

x₂

110

010

Р ис. 4-2. Геометрическая модель двоичного линейного кода.

Сообщения передаются по каналам связи последовательностями различимых сигналов, которые мы в дальнейшем будем называть кодовыми векторами. Каждый кодовый вектор однозначно соответ­ствует определенному числу принятой при кодировании системы счисления. Поэтому вместо того, чтобы говорить о передаче кодо­вых векторов, мы иногда будем говорить о передаче двоичных (в общем случае p -ичных) чисел.

При передаче чисел по каналу с помехами возможны искажения двоичных знаков помехой. Эти искажения проявляются в замене 1 на 0 и 0 па 1. Если вероятности перехода 0 в 1 и 1 в 0 равны друг другу, то канал вязи называется симметричным двоичным каналом, если эти вероятности не равны, то канал называется несимметричным.

Искажения кодового векто­ра в одном разряде будем называть одиночной ошибкой, искаженно в t-разрядах — t-кратной ошибкой. Нетрудно заметить, что переход из одной вершины в другую, находя­щуюся на расстоянии t=1 от первой, соответствует одиноч­ной ошибке. Точно так же пе­реход из данной вершины в вершину, находящуюся на расстоянии d=t, соответствует t-кратной ошибке.

Так как безызбыточный двоичный код изображается всеми вершинами, то любая ошибка приводит к неправильной расшиф­ровке сообщений на приемной стороне. Теперь после этих вводных замечаний поясним идею построения кодов с обнаружением и исправлением ошибок, используя для этой цели геометрическую модель трехразрядного кода.

Выберем для передачи сообщений числа с четным весом: 000, 011, 101 и 110, которым соответствуют вершины с такими же номе­рами. Эти вершины находятся друг от друга на расстоянии d = 2. Назовем их занятыми вершинами, а остальные вершины назовем свободными. Очевидно, что одиночным ошибкам на геометрической модели соответствует переход из занятой вершины в свободную, находящуюся на расстоянии d=1 от занятой.

Условимся применять следующую процедуру декодирования. Поскольку известно, что передаются только числа с четным весом, то будем проверять вес принятого числа: если число имеет четный вес — считаем его правильным и «регистрируем». Если число имеет нечетный вес (это будет при наличии в нем одиночных, тройных и т.д. ошибок), то регистр устанавливаем в «0» и делаем запрос о повторении. Следовательно, одиночные и другие нечетные ошибки будут обнаруживаться.

Из рассмотренного примера следует, что построение кода с обнаружением ошибок связано с уменьшением количества исполь­зуемых для передачи двоичных чисел: из всех 2ⁿ чисел исполь­зуется только 2^n-1 чисел с четным или с нечетным весом. Эти числа отличаются друг от друга не менее чем в двух разрядах, а соот­ветствующие им вершины находятся на расстоянии d≥2.

Теперь выберем на кубе две вершины, находящиеся на рас­стоянии d = 3, например вершины с номерами 010 и 101. При оди­ночных ошибках число 010 переходит в числа 110, 000 и 011, а число 101 переходит в числа 001, 111 и 100.

Группы чисел 010, 110, 000, 011 {1-я группа) и 101, 001, 111, 100 (2-я группа) не пересекаются, т.е. не содержат одинаковых чисел. Условимся применять следующую процедуру декодирования: если принято число из 1-й группы, то будем регистрировать чис­ло 010, если принято число из 2-й группы — будем регистрировать число 101. При использовании такой процедуры любые одиночные ошибки в передаваемых числах (010 и 101) будут исправляться. Рассмотренные примеры показывают, что корректирующие свойства кода зависят от расстояния между вершинами, которые соответствуют кодовым векторам: чем больше расстояние между занятыми вершинами, тем «лучше» код, т.е. тем большее число ошибок он может обнаруживать или исправлять.

Наглядное представление о коррек­тирующих свойствах кода дает так называемая «линейная» модель. На ней изобра­жаются какие-либо две ближайшие занятые вершины многомерного куба. Вершины соединяются линиями, на которых отмечаются также находящиеся между ними свободные вершимы. Для безызбыточного кода занятые вершины соединяются одним ребром (d=1). Если занятые вершины соединены двумя ребрами, т.е. если между ними находится одна свободная вершина, то такой код мо­жет обнаруживать одиночные ошибки. Если расстояние между вершинами равно трем (d = 3), то такой код может обнаруживать любые одиночные и двойные ошибки, а поэтому он может также при использовании соответствующей процедуры декодирования исправлять одиночные ошибки. Для двух вершин с расстоянием между ними d = 5 можно построить несколько раз­новидностей кодов. Можно построить код с обнаружением всех ошибок кратности t≤4. Можно построить также код, исправляю­щий одиночные н обнаруживающий все двойные и трехкратные ошибки, или, наконец, можно построить код, исправляющий все одиночные и двойные ошибки.

Геометрическая модель дает наглядное представление о рас­стоянии между кодовыми векторами. Теперь этому понятию будет дано более четкое определение.

Определение. Число разрядов, в которых два кодовых век­тора отличаются между собой, называется кодовым расстоянием между этими векторами.

Определение. Минимальное расстояние между кодовыми век­торами кода называется кодовым расстоянием. Кодовое расстояние называют также расстоянием Хэмминга. Кодовое расстояние является важнейшей характеристикой корректирующих кодов, так как оно дает возможность судить об их свойствах. Нетрудно уста­новить связь между расстоянием и кратностью обнаруживаемых или исправляемых данным кодом ошибок. Так, чтобы код мог исправлять все ошибки кратности t и меньше, кодовое расстояние должно отвечать условию d = 2t + 1.

Для обнаружения всех ошибок кратности t₀ и меньше код дол­жен иметь расстояние d = t₀+1.

Увеличение кратности исправляемых или обнаруживаемых оши­бок связано с уменьшением количества чисел длины п, которые можно выбирать в качестве кодовых векторов.

Рассмотрим метод, основанный на использовании двукрат­ного повторения (дублирования) передаваемого сообщения в прямом коде. Простые правила проверки позволяют устанавливать место одиночной ошибки и обнаруживать все двойные ошибки. Наряду с этим обна­руживается и большая часть многократных ошибок.

Рассмотрим исправление одиночных ошибок. Пусть для передачи сообще­ний используется k-разрядный двоичный код. Если каждое сооб­щение передавать дважды, т.е. применить метод временного повто­рения сообщении с коэффициентом повторения m = 2, то при приеме можно обнаружить место любых одиночных ошибок, если они произошли в любой из двух посылок. Для этого достаточно найти сумму обеих посылок по модулю два:

V₁ (+)V₂ = V₃ (5.4),

где V₁ —двоичное число (принятый вектор), или первая посылка;

V₂— двоичное число, или вторая посылка;

V₃— сумма чисел по модулю два.

Для двоичных переменных логическая операция «сложение по модулю 2» (иначе она называется функцией неравнозначности, а также функцией «исключающее ИЛИ») определяется таблицей истинности

V1	V2	V3= V1 (+)V2
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	0

Если V₁ =V₂ ,то V₃=0, что будет свидетельствовать об отсутствии одиночных ошибок в принятых посылках (а следовательно, и в принятом сообщении). Если V₁ ≠V₂ ,то V₃>0, что свидетель­ствует о наличии ошибок с весом, отличающимся от нулевого.

К k информационным разрядам добавим один контрольный разряд. Цифру в контрольном разряде будем выбирать таким образом, чтобы вес двоичного числа, отображающего сообщения, становился четным. При приеме каждая посылка проверяется на четность.

Если при передаче обеих посылок данного сообщения в одной .из них или в обеих одновременно произойдут любые нечетные ошибки, то при приеме они могут быть обнаружены проверкой посылок на четность.

Таким образом, проверка позволит опре­делить разряд, в котором произошла одиночная ошибка, а про­верка на четность укажет, в каком числе она произошла. Следовательно, любая такая ошибка может быть обна­ружена и исправлена.

Покажем это на примерах. Допустим, что сообщения пере­даются шестиразрядным двоичным кодом. В каждом двоичном числе пять разрядов являются информационными, а шестой — контрольным. Пусть дважды передается сообщение 110011.

Первый случай. Одиночная ошибка произошла в первом приня­том числе в первом разряде. Первое число будет принято как V₁ =010011. Второе число принято без искажения: V₂=110011. Принятые числа проверяются суммой по модулю 2, обозначенной как «(+)»:

V₃ = V₁ (+) V₂ =010011 + 110011 = 100000;

Проверка показывает, что сумма V₃ не равна нулю и опре­деляет место одиночной ошибки: цифра 1 суммы указывает, что ошибка произошла в первом разряде. Проверка по модулю 2 первого числа указывает, что одиночная ошибка произошла в первом числе, так как его вес стал нечетным, а проверка по модулю 2 второго числа свидетельствует о том, что нечет­ных ошибок во втором числе не произошло.

Таким же образом могут быть обнаружены и исправлены любые другие одиночные ошибки в первом числе.

Второй случай. Одиночная ошибка произошла в первом раз­ряде второго числа: V₁ =110011, V₂=010011.

Проверки:

V₃ = V₁ (+) V₂ =100000;

Проверки показывают, что ошибка произошла в первом раз­ряде второго числа. Так же обнаруживаются и исправляются все остальные одиночные ошибки во втором числе.

Рассмотрим обнаружение всех двойных ошибок. Для этого придется рассмот­реть три различных случая.

Первый случай. Двойная ошибка произошла в первом или во втором числе. Пусть, как и в ранее рассмотренных примерах, дважды передается сообщение 110011, и двойная ошибка произо­шла во втором и третьем разрядах первого принятого числа. Тогда

V₃ = V₁ (+) V₂ =101011 + 110011 = 011000;

Проверки на четность V₁ и V₂ не обнаруживают ошибок, а суммирование по модулю два укажет на наличие ошибок во втором и третьем разрядах. В каком из чисел произошли .ошибки, проверки не указывают, и поэтому такие двойные ошибки нельзя исправить, но их обнаружение не представляет затруднении.

Второй случай. В первом и втором числе произошли одиночные ошибки в разрядах с одинаковыми номерами. Пусть ошибки произошли в первых разрядах обоих чисел. Тогда

V₃ = V₁ (+) V₂ =010011 + 010011 = 000000;

Проверки на четность V₁ и V₂ указывают на наличие ошибок, а сумми­рование по модулю два не обнаруживает ошибок. Следовательно, такие ошибки могут быть обнаружены, но не могут исправляться.

Третий случай. В первом и втором числе произошли одиночные ошибки а разрядах с разными номерами, в первом числе — в первом разряде и во втором числе — во втором разряде, В этом случае

V₃ = V₁ (+) V₂ =010011 + 100011 = 110000;

Проверки на четность V₁ и V₂ указывают на наличие ошибок, а сумми­рование по модулю два указывает, что ошибки произошли в пер­вом и втором разрядах. Однако нет возможности установить соот­ветствие между номером числа и номером разряда, в котором произошла ошибка. В данном случае нельзя указать, в каком из двух разрядов первого (второго) числа произошла одиночная ошибка. Но все двойные ошибки такого типа легко обнаружи­ваются.

4.4. Автоматизация растровых электронных микроскопов

Растровая электронная микроскопия (РЭМ) охва­тывает наиболее широкую группу электроннооптиче­ских микрозондовых приборов, т. е. приборов с тонко­сфокусированным электронным пучком-зондом. Все электронные микроскопы объединены общим физическим принципом, а именно использованием корпускулярного излучения вместо фотонов света. Общими осо­бенностями этих приборов являются построение изображения по точкам, изменение масштабов изображения аппаратно-программными электронными средствами и растровое фор­мирование изображений (сканирование электронного пучка по поверхности образца). Природа и интенсивность ре­гистрируемого излучения определяют вид получаемого изображения и, следовательно, характер информации, которую оно содержит. В РЭМ выходная информация — изображение образца, помещенного в вакуумный объем, создает­ся на экране дисплея электронными устройствами. Наблюдаемая область образца последовательно облуча­ется перемещающимся электронным пучком подобно сканированию в телевизионной трубке; соответствующее изображение синхронно развертывается на экране элек­тронно-лучевой трубки.

РЭМ и приборы на их основе стали выпускаться промышленностью с 1964 года и завоевали широкую попу­лярность среди материаловедов и биологов. РЭМ дают в руки исследователей большой арсенал средств для изучения физических, химических и биологических явлений прин­ципиально на другом, атомарном уровне по сравнению со световыми микроскопами. РЭМ служат для получения информации о геометрических характеристи­ках поверхности твердых тел, а также для выявления физической неоднородности приповерхностных слоев. При облучении в РЭМ электронным пучком кристал­лов наблюдается аномальное поглощение и отражение электронов, падающих на объект под разными угла­ми — эффект каналирования. Расшифровывая картины электронного каналирования, определяют параметры кристаллической решетки образца. РЭМ хорошо приспособлен для исследования био­логических объектов в виде срезов или разных микро­организмов в их исходном состоянии. Для этого сто­лик и объект охлаждают до температуры жидкого азо­та. РЭМ позволил увидеть бактериофаги в их исходном состоянии — прикрепленными к бактерии и тем самым открыть новые неизвестные ра­нее элементы их строения и более детально следить за их поведением. Большая глубина резкости изображения, присущая РЭМ, позволяет осуществлять наблюдение трехмерных объектов и позволяют получить ко­личественные характеристики топографии поверхности, предоставляет возможность наблюдать разные элементы поверхности объекта с одинаковой четкостью, отчетливо различать детали как на переднем, так и на заднем плане.

Основными характеристиками электронных микро­скопов являются разрешающая способность (4…6 нм), увеличе­ние (15…300000), диапазон ускоряющее напряжение (0,5-50 кВ), диапазон линейных измерений (0,2…5000 мкм).

Электроннооптическая схема РЭМ (рис. 3), состоит из электронной пушки 1 с источником питания 2, элект­ронных линз 3, источника питания линз 4. Отклоняющие катушки 6, соединенные с генератором развертки 5, встроены над образцом 8; вторичные электроны регистрируются детектором 9, сигнал с которого усиливается усилителем 10 и преоб­разуется в изображение на экране видеоконтрольного устройства 7 (11 — столик объектов). Электронные линзы составляют важную часть электроннооптической колонны РЭМ и используются для формирова­ния очень тонкого электронного пучка-зонда.

Рис. 3. Электроннооптическая схема растрового электронного микроскопа

РЭМ отличается от всех других микроскопов наибольшей информативностью, так как позволяет исследовать объект, используя все виды вторичного излучения и эффекты взаимодействия электронов с объектом: проходящие электроны и погло­щенные, отраженные (быстрые) электроны и вторичные (медленные), оже-электроны, рентгеновское излуче­ние, катодолюминесцентное и инфракрасное излучение, наведенная проводимость в полупроводниковые мате­риалах.

Наиболее важный параметр - разрешаю­щая способность РЭМ на тонком объекте в проходя­щих сквозь него электронах достигает 2 А, а во вторичных электронах — 30—50 А. Разрешающая способность почти достиг своего теоре­тического предела, поэтому основное внимание уделя­ется техническому усовершенствованию, автоматиза­ции, расширению возможностей применения, удобству работы с ним. Все большее количество фирм включа­ется в производство растровых электронных микроско­пов различного назначения, эти микроскопы снабжают­ся большим количеством приставок и приспособлений для проведения разносторонних исследований объектов непосредственно в камере прибора.

Способ получения изображения поверхности образ­ца во вторичных электронах наиболее распространен. Можно получать изображение в отраженных или пог­лощенных электронах, в электронах, прошедших через тонкий образец, в рентгеновских и инфракрасных лу­чах. Столь большое количество изображений одного объекта раскрывает широкие возможности исследо­вания, и это стало возможным благодаря процессам, происходящим при взаимодействии электронного пучка с веществом.

Электронный пучок, входя в материал образца, испытывает потери энергии на торможение и рассеяние и возбуждает атомы. Возбужденные атомы испускают порцию энергии в виде вторичного излучения. Та часть первичных электронов, которая смогла пройти сквозь образец, выходит наружу с другой стороны и улавли­вается коллектором, создавая изображение в прохо­дящих электронах. Электроны же, «застрявшие» в ве­ществе, позволяют сформировать изображение в «по­глощенных» электронах. В этом случае сигналы снима­ются с резистора, включенного между образцом и кор­пусом прибора. Разрешающая способность — основной параметр РЭМ — для каждого вида вторичного излучения или регистрируемого сигнала различна, В пер­вую очередь разрешающая способность, как расстояние между двумя отчетливо видимыми точками на объекте, расположенными максимально близко друг к другу, зависит от размера электронного пучка (зонда), Уменьшение зонда ограничивается свойствами элементов электронно-оптической системы РЭМ. Следует учи­тывать также и минимальный ток зонда, так как с уменьшением силы тока пучка до некоторого предела (10^-12 А) начинает сказываться дробовой шум электродного пучка, являющийся основным ограничиваю­щим фактором при получении минимального размера электронного зонда в РЭМ. Кроме того, электронный пучок, входя в объект, рассеивается на атомах, в ре­зультате чего «расплывается» в нем, что также снижает разрешающую способность. Таким образом, существует целый ряд факторов, ограничивающих разрешающую способность микроскопа.

Для получения удовлетворительного качества изображения требуется, чтобы с каждого элемента поверх­ности образца улавливалось определенное количество электронов или квантов. Из этого следует, что ток пуч­ка и скорость его перемещения по поверхности объек­та связаны между собой. В результате взаимодействия сфокусированного электронного лучка с поверхностью исследуемого образца часть электронов пучка отража­ется обратно, другая часть, проникая внутрь образца, генерирует вторичные электроны, оже-электроны, ха­рактеристическое рентгеновское излучение, фотоны света различных энергий. Они рождаются на разной глубине внутри образца и используются для измерения многих его характеристик: топографии поверхности, химического состава, электропроводности и др.

Наименьшие детали объекта, видимые человеком с расстояния наилучшего зрения, имеют примерно 0,02 см. Поэтому для получения максимальной инфор­мации об исследуемом объекте за минимальный размер пучка на экране ЭЛТ следует принять именно эту ве­личину в 0,02 см. При такой величине пятна пучка электронов на экране ЭЛТ расстояние между строками будет равно 0,02 см. Если увеличить это расстояние, т. е. уменьшить количество строк кадра по сравнению с оптимальным, то соответственно уменьшится и количе­ство информации об исследуемом объекте. Если же увеличить число строк по сравнению с оптимальным, то информация может искажаться из-за наложения строк. Увеличение изоб­ражения достигается путем изменения амплитуды раз­вертки луча на образце, в то время как на экране дис­плея размер растра не меняется.

Электронный пучок, ощупывающий образец, имеет круглое сечение и гауссово распределение плотности тока. Поэтому допустимо некоторое наложение строк в целях компенсации краевого эффекта пучка.

Многообразие цветов и оттенков позволило упростить расшифровку наблюдаемого изображения. При этом следует уточнить, что цвет на изображении, полученном в РЭМ, носит чисто условный характер. Никто не знает, какого «цвета» вторичные или отра­женные электроны. Поэтому определенному виду вто­ричного излучения или излучению с определенной дли­ной волны (энергии) или интенсивности условно при­сваивается тот или иной цвет. Например, черно-белое изображение может иметь до 180 уровней градаций серого. Глаз человека не способен отличать такое их разнообразие, а вот отличить такое же количество от­тенков цвета может. Расцвечивание контуров деталей микроизображения повышает их различимость. При формировании изображения образца в рентгеновских лучах с помощью цвета удобно наблюдать распределе­ние разных химических элементов на исследуемой пло­щади образца (например, условно принимают, что ха­рактеристическому излучению никеля соответствует синий цвет, а меди — красный).

Автоматизация функций РЭМ включает

- управление колонной, в том числе управление электронным зондом, откачкой вакуума;

- управление высоковольтным источником питания;

- управление режимами сканирования;

- визуализацию изображений;

- обработку изображений;

- интерфейс пользователя.

Система автоматизации выполнена на базе 32-разрядного микропроцессора Motorola-68000 и двух сателлитных 8-разрядных Motorola-6802. Сателлитные канальные микропроцессоры обеспечивают откачку вакуума и управление высоковольтным источником питания колонны.

4.5. Коррозионные измерения подземных металлических сооружений.

Многоканальные синхронные измерения параметров коррозии являются важным направлением коррозионного мониторинга подземных и подводных металлических сооружений различного назначения, в том числе, трубопроводных систем. Разработка аналитических методов и соответствующих расчетных моделей, создание информационно-измерительных комплексов, создали базу для оценки коррозионного состояния подземных металлических сооружений (ПМС) в условиях реального влияния на них окружающей среды. Эта база дает возможность перейти к практическому диагностированию коррозионного состояния ПМС, планированию их электрохимической защиты (ЭХЗ) и оценке ее эффективности. Развитие работ в этом направлении требует дальнейшего совершенствования методов и инструментальных средств диагностирования и создания соответствующих методик измерений.

Характеристикой коррозионного состояния металлических сооружений является распределение плотности тока по наружной поверхности сооружения или пропорциональное ей смещение потенциала на поверхности от стационарного значения. Целью диагностики является определение этой величины и сравнение с допусками, для чего проводятся необходимые измерения, причем наибольший интерес представляет распределение плотности тока, обусловленной влиянием блуждающих токов.

Для ПМС интегральный критерий качества формируется на базе множества локальных критериев, при этом приоритетным является критерий условия достижения катодной защиты, согласно которому величина поляризационного потенциала должна находиться в пределах

,

Для решения задачи определения общего коррозионного состояния ПМС как системы с распределенными параметрами недостаточно иметь данные о значении плотности тока в одной точке. Искомое распределение, обычно, получается в результате интерполяции данных измерений в нескольких точках, расположенных на поверхности объекта на определенных расстояниях одна от другой. Такой подход используется при оценке коррозионного состояния сооружений, находящихся в эксплуатации. Основным принципиальным требованием к регистрирующей аппаратуре является синхронизация моментов включения регистраторов и моментов записи данных в память. Это позволяет применять математические методы при анализе результатов измерений для выявления внутренних закономерностей исследуемых относительно быстропротекающих процессов. Процессы коррозии трубопроводных систем являются трудно формализуемыми. Для установления более глубоких закономерностей, например, о причинах вариаций параметров и, соответственно, оптимального планирования ЭХЗ, информации, полученной от небольшого количества ее источников, недостаточно, поэтому для получения адекватных результатов диагностирования необходимо одновременно использовать большое число приборов с синхронной записью данных измерений. Достоверная информация, полученная в результате компьютерной обработки первичных данных, позволит получить правильную оценку коррозионного состояния, необходимую для оптимального распределения ресурсов и технических средств ЭХЗ при планировании мероприятий коррозионной защиты ПМС.

Для оценки ожидаемого влияния блуждающих токов на проектируемое сооружение используются данные измерений напряженности электрического поля, создаваемого блуждающими токами в среде, в которой будут расположены проектируемые сооружения. Ожидаемое распределение плотности тока на поверхности проектируемого сооружения находится в результате обработки данных измерений. Эта обработка производится в несколько этапов:

1. Определение потенциала электрического поля U_S, создаваемого блуждающими токами и другими источниками, на поверхности сооружения (например, вдоль трассы трубопровода) методами аппроксимации и интерполяции.

2. Определение распределения плотности тока J на поверхности сооружения путем решения линейного (в простейшем случае) интегро-дифференциального уравнения вида A·J = U_S , где A - линейный оператор, отвечающий рассматриваемой задаче, (см. например, [1]).

3. Определение статистических параметров найденного распределения в отдельных точках (средние значения, средние квадратические отклонения, собственные и взаимные корреляционные функции, параметры регрессионного анализа и т.п.).

4. Определение ожидаемой скорости коррозии на выбранных участках поверхности сооружений и оценка размеров опасных зон.

В случаях, когда невозможно выполнить полномасштабные измерения на поверхности сооружения, такой подход является, практически, единственным, позволяющим получить относительно полные данные о коррозионном состоянии. Если имеется возможность выполнить измерения в отдельных точках на поверхности сооружения, эти данные могут быть использованы для повышения достоверности прогнозирования.

Локальные коррозионные измерения могут выполняться с использованием серийно выпускаемого прибора для коррозионных измерений КОРИПС-3А [3-2]. Назначение: прибор для синхронных измерений параметров коррозии подземных или подводных металлических сооружений.

Технические характеристики:

- число каналов - 4,

- интервал времени между измерениями 1…15 с;

- диапазоны измерения по каждому каналу, 0.5,10, 100,В;

- погрешность измерения по диапазонам 0.1, 0.5, 0.2,%;

- ЖКИ индикатор на 2х16 знакомест;

- емкость флэш-памяти не менее 32000 измерений,

- время непрерывной работы с автономным питанием не менее 48 ч;

• компьютерная программа для графического представления данных, вычисления корреляции, регрессии.