БЕСКОНТАКТНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ВНУТРИКАМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ - ТОКАМАКА
Червяткин Максим Васильевич
Научный руководитель
: Ясельский Владимир Карпович, к. т. н., доцент, каф. 24, ФТФ, ТПУТомский Политехнический Университет, г.Томск, Россия
В настоящее время международным сообществом проводится комплекс совместных работ, направленных на проектирование и создание международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. В плане реализации этого проекта должна быть проведена совокупность материаловедческих исследований путем создания экспериментального стенда на базе материаловедческого термоядерного реактора КТМ республики Казахстан.
В связи с этим является актуальным проведение исследований в области разработки и создания автоматизированной системы тензометрической диагностики для решения задачи диагностирования напряженно-деформированного состояния элементов, находящихся внутри разрядной высоковакуумной камеры термоядерного реактора и обращенных к плазме: лимитере, приемных пластинах дивертора, антеннах ВЧ-нагрева плазмы и других.Эта, достаточно сложная задача, может быть решена только с использованием методов бесконтактной тензометрии, так как внутрикамерные элементы подвергаются воздействию мощных излучений и потоков тепла. В пользу применения бесконтактных методов также говорит нежелательность размещения тензометрического оборудования внутри вакуумной камеры токамака, так как это может увеличить содержание примесей в плазме, что серьезно затруднит создание условий, необходимых для протекания термоядерной реакции. Следует отметить, что такого вида диагностика для токамаков не специфична и необходимой информации о подобного рода разработках не содержится в открытых публикациях.
Настоящая работа посвящена разработке подсистемы тензометрической диагностики термоядерной установки КТМ, ее технического и математического обеспечений. В работе проводится анализ путей и средств решения задачи диагностирования напряженно-деформированного состояния элементов, находящихся внутри разрядной высоковакуумной камеры реактора-токамака. В основу бесконтактной тензометрии в качестве базового предлагается положить метод муаровых полос, базирующийся на использовании эффекта возникновения квазиинтерференционой картины при оптическом совмещении плотных массивов линий. Для деформируемого растра нами предложено использовать сетки концентрических окружностей из жаропрочного
Pt-Pd сплава, нанесенные на диагностируемые объекты методом напыления, а в качестве контрольного растра - сетки, состоящие из перпендикулярных линий. Применение муар-тензометров такого рода позволяет определять направления главных деформаций по одной картине муара.Для реализации данного метода нами была разработана структурная схема подсистемы тензометрической диагностики, в основу реализации которой положен иерархический подход, и произведен выбор ее основных узлов. Согласно разработанной структурной схеме аппаратная часть нижнего уровня подсистемы бесконтактной муар-тензометрии включает в себя следующие блоки: оптическую систему, содержащую датчик видеосигнала, преобразующий оптическое изображение в электрический сигнал, устройство оцифровки и предварительной обработки, интерфейс связи со следующим иерархическим уровнем данной подсистемы и устройство освещения. Датчик оптической информации в данном случае является основным элементом оптико-телевизионной системы. Для этой цели было рекомендовано использование цифровых камер (ЦК) с датчиками на основе приборов с зарядовой связью и матричной структурой. Исследуемый процесс является динамическим и требует применения ЦК с частотой оцифровки около 100 кадров/сек. Так как исследуемые объекты будут освещаться монохроматическим светом, поэтому целесообразно использование черно-белых ЦК при разрешении 8 бит на точку. Для освещения необходимо использовать параллельный поляризованный монохроматический пучок света, что позволит повысить точность и чувствительность метода. В свою очередь длина волны должна быть подобрана в зависимости от спектра излучения материала объекта и металла сетки. При этом съемку необходимо проводить с применением светофильтров, оптическая плотность которых и спектральная характеристика должны обеспечить выполнение указанных требований и избежать засветки от фонового излучения плазмы.
Сравнительный анализ современных технических средств автоматизации показал, что для 2-го уровня подсистемы наиболее целесообразно применение в качестве базового оборудование в стандарте VME. Это решение обусловлено высокими техническими характеристиками данного оборудования, широкими его функциональными возможностями, высоким быстродействием, хорошей помехозащищенностью. Последующие же уровни рассматриваемой подсистемы диагностики (уровни основной обработки и анализа информации) предполагается интегрировать в ИИС токамака КТМ.
В свою очередь в плане решения вопросов разработки математического обеспечения подсистемы диагностики в настоящей работе были определены методы и алгоритмы первичной и основной обработки результатов измерений, а также восстановления полей деформаций и напряжений. Для решения очень важной в данном случае задачи фильтрации изображений, получаемых при бесконтактных тензоизмерениях, было предложено использовать вейвлет-анализ. Проведенные исследования позволили определить вид базисной вейвлет-функции, оптимальной с точки зрения использования для фильтрации муаровых картин. Проведенный анализ показал, что реализация вейвлет-преобразований для растровых изображений довольно проста, алгоритмы не содержат сложных операций и работают достаточно быстро, что является несомненным достоинством метода и позволяет применять его для фильтрации в условиях больших скоростей информационных потоков, которые характерны для бесконтактной тензометрической диагностике при проведении экспериментов на токамаке КТМ.
e-mail: asf@asf.e-burg.ru