Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ХВОСТОВ Анатолий Анатольевич
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭЛАСТОМЕРОВ
Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в пищевой и химической промышленности) 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Воронеж - 2011
Работа выполнена на кафедре информационных и управляющих систем ГОУ ВПО Воронежская государственная технологическая академия Научные консультанты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Битюков Виталий Ксенофонтович Доктор технических наук, доцент Тихомиров Сергей Германович (ГОУ ВПО ВГТА, г. Воронеж)
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Матвейкин Валерий Григорьевич, (ГОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов) Доктор технических наук, доцент Колыбанов Кирилл Юрьевич, (ГОУ ВПО Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова, г. Москва) Доктор технических наук, профессор Корыстин Сергей Иванович, (ГОУ ВПО ВГТА, г. Воронеж)
Ведущая организация: ГОУ ВПО Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), г. Москва
Защита состоится л23 июня 2011 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.035.02 в ГОУ ВПО Воронежская государственная технологическая академия по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 394036, г. Воронеж, пр. Революции, 19, ГОУ ВПО ВГТА, ученому секретарю диссертационного совета Д212.035.02.
Текст автореферата и объявление о защите размещены на сайте ВАК РФ
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ВГТА.
Автореферат разослан л Е Е 20Е г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Хаустов И.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время в процессах синтеза и переработки эластомеров для оценки их качества используется совокупность лабораторных методов контроля. Показатели качества отражают физико-механические и молекулярно-структурные характеристики эластомера (вязкость по Муни, пластичность по Карреру, твердость по Шору, предельная прочность, средние молекулярные массы, функция молекулярномассового распределения (ММР)). Использующиеся методы обладают большим запаздыванием и низким уровнем автоматизации. Воспроизведение измерений использующихся методов контроля с достаточной для целей управления точностью в рамках одной интегративной системы контроля с использованием современных средств обработки информации обеспечит автоматизацию измерений, повышение их оперативности и включение систем контроля в контур АСУТП в условиях действующего производства.
Опыт применения ультразвуковых (УЗ) методов контроля во многих отраслях промышленности показал, что они отвечают предъявляемым к такой системе требованиям и обладают рядом ценных для практического использования свойств: низкой стоимостью, компактностью, оперативностью, высокой чувствительностью, возможностью реализации бесконтактности и автоматизации измерений, а так же реализации множества режимов измерений за счет изменения частоты и температуры.
Однако, в промышленности СК, РТИ и на предприятиях, перерабатывающих эластомеры, эти методы не получили широкого распространения ввиду необходимости адаптации УЗ методов контроля к измерению показателей качества эластомеров. Это невозможно без решения проблемы выявления структуры УЗ системы контроля качества эластомеров с учетом отраслевых особенностей, обеспечивающей с достаточной точностью воспроизведение оценок использующихся методов контроля, а так же осуществления идентификации системных связей между измеряемыми акустическими свойствами эластомера и его показателями качества. Таким образом, эта проблема является актуальной, а её решение имеет большое научное и народнохозяйственное значение.
Работа основана на результатах исследований Дж. Ферри, А. А. Тагер, С.Я. Соколова, И. Г. Михайлова, Ю. П. Сырникова, С. Я. Френкеля, Г. В. Виноградова, Г. М. Бартенева, А. Я. Малкина, И. И. Перепечко в области реологии полимеров и молекулярной акустики.
Исследование выполнялось в рамках госбюджетной НИР Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами (№ г.р. 01960007315). Результаты работы удостоены премии правительства Воронежской области на XIX региональном конкурсе в области науки и образования среди высших учебных заведений и научных организаций.
Цель: разработка методологии синтеза информационноизмерительной УЗ системы контроля показателей качества аморфных эластомеров и их растворов для повышения эффективности систем управления периодическими и непрерывными технологическими процессами в производстве и переработке эластомеров, обеспечивающей с достаточной точностью воспроизведение совокупности использующихся методов контроля качества, автоматизацию и оперативность оценки спектра показателей качества производимой продукции.
Для достижения указанной цели поставлены задачи:
1. Провести системный анализ методов оценки качества эластомеров в промышленности, выявить их общие системные свойства и закономерности обработки измеряемой информации.
2. На основе проведенного системного анализа и выявленных закономерностей разработать структуру УЗ информационно-измерительной системы, осуществляющей обработку информации об акустических свойствах эластомеров и условиях её получения для расчета их показателей качества и обеспечивающей с достаточной точностью воспроизведение оценок использующихся методов контроля.
3. Синтезировать комплекс математических моделей, идентифицирующих информационные связи акустических свойств с показателями качества эластомеров.
4. Разработать и реализовать методы УЗ контроля показателей качества эластомеров в условиях производства.
5. Обосновать технические решения по реализации разработанных методов контроля качества в рамках системы УЗ контроля спектра показателей качества эластомеров и их интеграции в состав промышленных АСУТП для повышения эффективности управления технологическими процессами.
Объект исследования. Система УЗ контроля качества эластомеров.
Методы исследования. В работе используются общая методология системного анализа и моделирования систем, методы прикладной и молекулярной акустики, математической статистики, физики полимеров, математического моделирования и дифференциального исчисления, методы идентификации, оптимизации.
Научная новизна:
1. На основе выявленных общих системных свойств и закономерностей обработки информации в использующихся методах оценки показателей качества эластомеров разработана структура УЗ информационноизмерительной системы, отличительной особенностью которой является использование для получения исходной информации подсистемы УЗ измерений, дополнение её подсистемой выбора частотно-температурных условий УЗ измерений, обеспечивающей минимизацию погрешностей измерений, а так же подсистемой математического моделирования информационной связи показателей качества эластомеров с их акустическими свойствами.
2. Синтезирован комплекс новых математических моделей, отличительной чертой которых является формализация информационной связи измеряемых акустических свойств и показателей качества эластомеров (вязкости по Муни, предела прочности при разрыве и твердости по Шору аморфных эластомеров, а так же среднечисленной, средневзвешенной молекулярных масс и концентрации полимера в растворе) с учетом молекулярно-структурных особенностей строения эластомеров.
3. Разработан новый алгоритм обработки получаемых в результате частотно-температурного сканирования распределений акустических свойств эластомеров, ключевым моментом которого является декомпозиция обработки информации на этапы: разделения исходной выборки на интервалы, обладающие одним максимумом; аппроксимации каждого интервала, а так же установления связи между параметрами взвешенной суммы аппроксимирующих функций и показателями качества (температурами релаксационных, фазовых переходов и функцией ММР эластомеров).
4. Синтезированы новые методы контроля качества эластомеров, отличающиеся от известных получением информации о качестве на основе обработки информации об измеренных акустических свойствах эластомера посредством УЗ воздействия в рабочем диапазоне частот и температур.
5. На основе синтезированных методов контроля разработаны решения по автоматизации системы контроля качества эластомеров в условиях производства, обеспечивающие повышение эффективности управления технологическими процессами получения и переработки эластомеров.
На защиту выносятся:
1. Структура информационно-измерительной УЗ системы, обеспечивающей воспроизведение совокупности использующихся методов контроля качества.
2. Комплекс математических моделей показателей качества эластомеров как функции акустических свойств.
3. Алгоритм обработки получаемых в результате частотнотемпературного сканирования распределений акустических свойств эластомеров по частоте и температуре и математические модели, связывающие параметры распределений с качеством полимера.
4. Методы УЗ контроля показателей качества эластомеров.
5. Технические решения по автоматизации контроля качества эластомеров в условиях производства.
Практическая значимость работы заключается в создании автоматизированной информационно-измерительной УЗ системы контроля спектра показателей качества эластомеров (вязкости по Муни, предела прочности при разрыве, твердости по Шору, температур релаксационных и фазовых переходов, времени релаксации, средних молекулярных масс, концентрации полимера, функции ММР полимера) в условиях действующего производства для повышения эффективности управления, его реализации на опытной установке, а так же повышении точности расчета температурных и частотных спектров тангенса угла механических потерь, и определении по ним ряда характеристик полимера (температур релаксационных и фазовых переходов, времени релаксации).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были доложены на II республиканской электронной научной конференции Современные проблемы информатизации (Воронеж, 1997,1998), международной научнопрактической конференции Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности (Воронеж, 1997), научно-практической конференции Современные методы теории функций и смежные проблемы (Воронеж, 1997), III всероссийской научно-технической конференции Информационные технологии и системы (Воронеж, 1999), всероссийской научно-технической конференции Теория конфликта и ее приложения (Воронеж, 2000), 12 симпозиуме Проблемы шин и резинокордных композитов (Москва, 2001), первой всероссийской конференции по каучуку и резине (Москва, 2002), III Междунар. научно-практической конференции Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы (Новочеркасск, 2002), отраслевой конференции по метрологии и автоматизации в нефтехимической и пищевой промышленности (Воронеж, 2002, 2003), IV международной научно-технической конференции Кибернетика и технологии XXI века (С&T 2003) (Воронеж, 2003), XIX международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-19 (Воронеж, 2006), II международной научно-практической конференции Качество науки - качество жизни (Тамбов, 2006), XX международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20 (Ярославль, 2007), XXI международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21 (Саратов, 2008), XXII международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22 (Псков, 2009), III Международной научно-технической конференции Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (Воронеж, 2009), Международной научно-практической конференции Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности (Воронеж, 2009).
Математические модели, система контроля, алгоритмическое и программное обеспечение для определения вязкости по Муни, предела прочности при разрыве и твердости по Шору, структурно-молекулярных характеристик, концентрации, и ММР полимера в растворе по данным акустических измерений апробированы и внедрены на ООО Совтех (г. Воронеж), ООО Курскпром (г. Курск), где под руководством и при непосредственном участии автора были разработаны и внедрены системы контроля показателей качества эластомеров. На ОАО Шинный комплекс АМТЕЛ-Черноземье, ОАО Воронежсинтезкаучук проведена успешная апробация математических моделей, программ и методик, обеспечивающих оперативный контроль степени кристалличности, определение времени декристаллизации брикетов сырьевых каучуков и ММР растворов полимеров. Разработанные математические модели используются в учебной практике и при выполнении учебно-исследовательских работ на кафедрах Технология переработки полимеров, Информационные и управляющие системы ВГТА. Расчетный годовой экономический эффект при внедрении составил 5 млн.руб.
Публикации. По результатам проведенных исследований и практических разработок опубликовано 50 научных работ, включая 20 работ в научных изданиях и журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов докторской диссертации, 1 монография, получено 6 патентов на изобретения, зарегистрировано 3 программных продукта.
ичный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке задач и их решении. Автором проведен системный анализ и обоснование УЗ методов контроля качества эластомеров [8, 10, 25], разработаны математические модели [1, 6, 7, 11, 13, 14, 23], методы расчетов для проведения их параметрической идентификации [3, 9, 12, 15], предложены алгоритмы обработки входной информации об акустических свойствах эластомеров для расчета показателей качества[18, 19, 20, 30, 33-35], синтезированы методы оперативного контроля качества эластомеров [2, 5, 16, 17, 21, 22, 24, 27-32]. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, являются итогом исследований, проведенных автором совместно с сотрудниками ВГТА (Воронеж).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 309 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, 126 рисунков, 34 таблиц, заключения, списка литературы из 302 наименований и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи, научная новизна диссертационной работы, представлены выносимые на защиту научные положения и результаты.
В первой главе проведен системный анализ использующихся в промышленности методов контроля качества эластомеров и УЗ систем контроля.
Проведенный системный анализ используемых промышленных методов контроля качества эластомеров позволил выявить общие системные свойства и основные закономерности обработки информации. Анализ методов контроля основных показателей качества полимеров показал, что в основе большинства методов оценки технических показателей качества эластомеров лежат испытания его образцов в различных режимах деформации или напряжения при соответствующем тепловом режиме. Рассмотренные методы контроля технических свойств являются разновидностью термомеханического метода и, как правило, сводятся к оценке комплексного модуля упругости или отдельных его компонент при различных режимах (деформационных и тепловых) в единицах измерения, определяемые прибором и условиями проведения измерений. Комплексный модуль упругости характеризует зависимость между напряжениями и деформациями в материале и является в данном случае отражением качества материала, выраженным в его вязкоупругих свойствах.
PУЗ U,U, h,TУЗ,УЗ изл приёмн PЭТ,TЭТ,ЭТ ,с,TУЗ,УЗ TЭТ,ЭТ EЭТ, EЭТ,ЭТ,tgЭТ,TЭТ,ЭТ EУЗ, EУЗ,УЗ,tgУЗ,TУЗ,УЗ PkЭТ PkУЗ Рис. 1. Сравнительный анализ процессов обработки информации.
E, E,, tg, E, E,, tg,T, ,T, - реологические параметры, темпеЭТ ЭТ ЭТ ЭТ УЗ УЗ УЗ УЗ ЭТ ЭТ УЗ УЗ ратура и частота эталонного и УЗ методов контроля, P, PУЗ,, с - параметры, реЭТ гистрируемые эталонным и УЗ методом, Pk, Pk - оценки показателей качества ЭТ УЗ эталонным и УЗ методом.
Обработка информации обеспечивает получение исходных измерений и соответствующих физических величин, связанных с реализацией метода контроля, оценку по этим измерениям реологических свойств эластомера при текущем частотно температурном режиме и пересчет в единицы измерения, принятые для данного показателя качества с учетом использующегося метода, прибора и условий контроля.
В результате декомпозиции структур использующихся в промышленности методов контроля качества можно выделить подсистемы: реализации эталонного метода контроля, осуществляющей получение первичной информации от измерительных средств; оценки реологических свойств, интерпретирующей полученные измерения как реологические свойства эластомера в данных температурно-частотных условиях; оценки качества, отвечающей за представление результатов оценки качества в единицах измерения, принятых в ГОСТ и ТУ (рис. 1).
Таким образом, для разработки универсальной системы контроля спектра показателей качества эластомеров необходима методика оценки вязкоупругих свойств полимеров, позволяющая воспроизводить измерения существующих лабораторных методов контроля, интерпретировать результаты измерений в единицах измерений с учетом отраслевых особенностей и при этом отвечать требованиям универсальности, оперативности, автоматизации измерений, неразрушающего контроля, низкой себестоимости и высокой точности. С этой точки зрения перспективными являются УЗ методы контроля.
Несмотря на большое количество работ, посвященных получению и исследованию информационных связей акустических свойств эластомеров (скорости звука, коэффициента затухания, частоты) с вязкоупругими свойствами эластомеров и вязкоупругих свойств с показателями качества, отсутствует системное описание процесса преобразования информации об акустических свойствах эластомера и условиях её получения для расчета показателей качества как единой информационно-измерительной системы.
Сравнительный системный анализ процесса преобразования измеряемой информации в использующихся (принимаемых за эталонные) и УЗ системах контроля выявил общие подсистемы, обеспечивающие: получение исходной измеряемой информации о физических свойствах эластомера; оценку его реологических свойств; их интерпретацию в единицах измерения качества. Соответствующие информационные потоки обеспечивают связь между подсистемами реализации методов контроля, оценки реологических свойств и оценки качества (рис. 1).
Исследуемый Аморфное нет эластомер состояние да УЗ исследования растворов эластомеров УЗ исследования аморфных эластомеров излучатель Камера с раствором излучатель приемник образец в Приготовление капсуле раствора заданной Cп концентрации термостат приемник термостат Формирование U изл,t,УЗ имп параметров акустических Цифровой возмущений Генератор осциллограф PУЗ U изл,U приёмн, h,TУЗ,УЗ Подсистема формирования и регистрации акустических излучений Уровень оценки акустических свойств Воспроизводимые , с,TУЗ,УЗ Воспроизводимые Воспроизводимые (эталонные) методы (эталонные) методы Блок задания условий (эталонные) методы контроля качества контроля качества измерений контроля качества Оценка реологических эластомеров эластомеров TУЗ,УЗ эластомеров параметров эластомеров при заданных частотно Tопт,опт температурных условиях Блок оптимизации условий измерений Анализ физических 2 Kr A1 ,T A2S ,T min принципов реализации изм,Tизм эталонного метода, EУЗ, EУЗ,УЗ,tgУЗ,TУЗ,УЗ условий проведения подсистема подбора условий измерений испытаний Уровень оценки реологических свойств Результаты эталонных измерений Уровень оценки качества Поиск закономерностей связи показателей качества, акустических Исследование математической и реологических свойств модели Принятие решения о структуре Расчет показателей математической модели связи качества Комплекс показателя качества и Принятие решения математических реологических свойств Комплекс о пригодности моделей связи Комплекс математических математической математических моделей связи Pk f E f ,c,,T Параметрическая идентификация модели моделей связи математической модели...
Pk1 Pk2 PkN N мод эксп S Pk min Pk j j P Подсистема математического моделирования связи jпоказателей качества и реологических свойств Спектр показателей качества эластомеров Рис. 2. Синтез структуры УЗ информационно-измерительной системы контроля показателей качества эластомеров Сравнительный анализ позволил сформулировать основные принципы синтеза структуры УЗ систем контроля качества эластомеров: замена подсистемы реализации эталонного метода контроля подсистемой УЗ измерений, дополнение подсистемы оценки реологических свойств эластомера подсистемой выбора условий измерений, обеспечивающих минимум погрешностей при измерении, а блока оценки качества математическими моделями, формализующими информационную системную связь показателей качества с реологическими свойствами (рис. 1).
Во второй главе обоснована и разработана структура УЗ системы контроля качества эластомеров с учетом отраслевых особенностей.
При построении структуры системы используется модульноиерархический подход. Иерархия обеспечивается дифференциацией уровней акустических свойств, реологических свойств и показателей качества.
На каждом уровне иерархии происходит разделение подходов к измерениям и их интерпретации.
На уровне оценки акустических свойств реализуется формирование акустических возмущений, проведение испытаний и регистрация отклика с использованием специальных термостатированных измерительных ячеек и капсул для аморфных эластомеров и их растворов.
На уровне оценки реологических свойств аморфных полимеров используется метод распространения волн в сплошной среде, для растворов полимеров - моделирование движения полимерных макромолекул, а в случае использования распределений акустических свойств по частоте или температуре - модели связи показателей качества эластомеров с параметрами регистрируемых распределений (рис. 2, 3). На основе анализа физических принципов реализации эталонных методов осуществляется подбор частот и температур, обеспечивающих минимизацию погрешности измерений и повышение их чувствительности S, значения которых передаются на уровень оценки акустических свойств (рис. 2).
На уровне оценки качества дальнейшее разделение происходит для каждого частного случая полученной функции Pk f E и соответст вующей структуры связи показателя качества эластомера с его акустическими свойствами. Выбор структуры связи осуществляется на основе изучения эталонного метода и связи реологических свойств с показателем качества. Проведение серии экспериментальных исследований образцов эластомеров с известными показателями качества позволяет определить параметры математических моделей связи, обеспечивающих минимальное отклонение измерений УЗ методом от эталонных (рис. 2).
T Srange= i,,Ti,T,i =1,N A, A,t,h, пр изл x t,t 0..tкон Sbeg = Апрi,Aизлi,ti,h,i,,Ti,T,i =1,N f Aизл, Aпр, h ;c f h,t m,,,c, Sak = i,ci,i,,Ti,T,i =1,N m,, E f , c, Svp = Ei,i,tgi,i,,Ti,T,i=1,N E E f E,, Pk f m,, Suni = Eij,ij,tgij,ij,,Tij,T,i =1,N, j 1,M Pk f E Pk f , c, Рис. 3. Обработка информации в УЗ системе контроля качества эластомеров При обработке информации об акустических свойствах эластомеров для оценки их качества на уровне оценки акустических свойств в рамках прикладной акустики с помощью соответствующих технических средств контроля оцениваются акустические параметры эластомера. Основными параметрами ультразвуковых колебаний являются скорость с, частота и затухание ультразвука.
В зависимости от решаемой задачи реализуется несколько вариантов акустических возмущений и их интерпретации: оценка параметров волны в установившемся режиме для определения коэффициента затухания, оценка реакции на гармонический импульс для оценки скоростей звука и изучения переходных процессов в системе.
На уровне оценки реологических свойств используется их связь с акустическими. Т.к. основные показатели качества аморфных полимеров Pk тесно связаны с вязкоупругими свойствами полимера, они могут быть выражены через компоненты модуля упругости, в общем случае некоторой неизвестной функцией E f Pk. Вводя эту функцию в волновое уравнение для случая плоской волны в соответствии с методом распространения волн выполнении условия малости деформаций, получим систему:
2u , t2 x (1) f Pk u ;
x u x, u x, 0 Asin x, f x ;u 0, t u t t где u - смещение, м; - напряжение, Па; t - время, с; x - координата, м.
Показатель качества определяется с использованием решения системы (1) при гармоническом воздействии u x,t u x eit :
c c 1 f Pk E E iE E i c2 i 2c2 , (2) 2 2 c c 1 1 где E, E - компоненты комплексного модуля упругости E, Па; - эффективная вязкость, Пас, - плотность, кг/м3.
Выражение (2) используется для установления связи показателей качества полимера с компонентами E и параметрами акустической волны.
Для определения таких показателей качества как температуры релаксационных и фазовых переходов оценка ведется по спектру измерений или распределению этих компонентов по некоторому параметру с использованием методов акустической спектроскопии (сканирования акустического спектра по частоте при заданной температуре или по температуре при заданной частоте). Это дает возможность сформировать множество измерений акустических свойств эластомера, отражающих их распределение Sak = i,ci,i,,Ti,T,i = 1,N. По этим значениям осуществляется расчет распределений компонентов комплексного модуля упругости E и tg Svp = Ei,i,tgi,i = 1,N. Дальнейшая обработка заключается в разбиении исходных распределений на интервалы, легко поддающиеся обработке, дальнейшей аппроксимации и оценке параметров аппроксимирующих функций с целью идентификации с их помощью искомых показателей качества.
Для получения моделей показателей качества в растворе используются математические модели, описывающие колебательное движение макромолекул в растворе. Это позволяет получить оценку вовлекаемых в колебательное движение масс полимера, а так же оценить вязкость полимерного раствора.
Разработанная структура УЗ измерительной системы, отражает процесс преобразования измеряемой информации об акустических свойствах эластомера для расчета его показателей качества (рис. 3).
В третьей главе осуществлен синтез математических моделей, формализующих информационную связь основных показателей качества аморфных полимеров с его акустическими свойствами.
Реализованы следующие случаи определения показателей качества:
Оценка показателя качества полимера по одной из компонент комплексного модуля упругости на примере оценки степени кристалличности каучука. Pk fRe E Im E. Дано теоретическое обоснование и осущест влен синтез структуры математической модели степени кристалличности каучуков.
Предпосылками структурной идентификации математической модели являлись выражения, связывающие упругие свойства реального полимера, его акустические параметры (2), а так же степень кристалличности , в соответствии с принципом суперпозиции релаксационных процессов в частично закристаллизованном полимере. Получена следующая структура математической модели степени кристалличности каучуков как функции акустических свойств:
В1 В2 В3, (3) с где В1, В2, В3 - параметры модели, рассчитываемые индивидуально для конкретной марки каучука.
Среднее относительное отклонение экспериментальных данных, полученных с использованием эталонного метода гидростатического взвешивания, от рассчитанных по математической модели в рамках УЗ системы контроля составило для каучуков марок SVR3, СКИ3, Baypren 5.01 %, 3.92 %, 11.72% соответственно (рис. 4).
, , дол.
дол.
об.
об.
с, м/с , м-Рис. 4. Зависимость коэффициента затухания и скорости ультразвука с от степени кристалличности : 1, 3, 5 - экспериментальные данные (НК SVR3, СКИ-3, ХПК Baypren ) 2, 4, 6 - данные по модели (3)(НК SVR3, СКИ-3, ХПК Baypren ) Определение показателя качеSh,ед. Шор А ства по одной из измеренных акустических характеристик. Рассмотрен пример оценки твердости по Шору.
Pk f c.
При определении твердости по Шору А ( Sh, ед. Шор А) полимеров, по модели:
, мSh B1 B2, (4) Рис. 5. Экспериментальные (Х) и рас- где B1 и B2 - константы, специфиччетные (Ц) значения твердости по Шоные для полимера одной марки.
ру А для резин на основе СКС-30 при Для резин на основе каучука =2,5 МГц и T=293 K СКС-30 получены значения коэффициентов B1 3158, B2 48,8, относительная погрешность модели составила =3,46%. Соответствие рассчитанных по модели (4) и экспериментальных данных представлено на рис. 5.
Определение спектра ( nk ) показателей качества Pki, представленных множеством Pki, по компонентам комплексного модуля Re Pki f E Im E, i 1,nk. Этот случай определения показателя качества полимера рассмотрен на примере одновременного измерения вязкости по Муни и предела прочности при разрыве полимера.
Исходя из связи прочности с модулем упругости получена математическая модель для предельной прочности при разрыве (Р, МПа):
m m E c22 2 c2 P P , (5) Р h 2 c2 где P и m - постоянные, характеризующие свойства полимера заданной марки, h - логарифмический декремент затухания.
Графики экспериментальных и расчетных значений Р приведены на рис. 6.
, МПа Р Mh,ед. Муни сh cРис. 6. Экспериментальные (Х) и расчетные (Ц) значения предела прочности при разрыве Рис.7. Экспериментальные и расчетные каучука СКС-30 при =2,5 МГц и T=293 K значения вязкости по Муни для каучука СКС-30 на частоте =0,6 МГц:
экспериментальные значения (T=293 K):
-- расчетные значения (T=293 K):
Х экспериментальные значения (T=373 K):
Ц расчетные значения (T=373 K).
С учетом степенного влияния структурно-молекулярных характеристик на вязкоупругую функцию получено уравнение, связывающее вязкую составляющую комплексного модуля ( ) полимера и вязкость по Муни ( Mh, ед.
Муни), имеющее вид:
Z c ZMh Z1 Z1 c3 2 , (6) 1 где Z1 и Z2 - постоянные, зависящие от марки полимера.
Графики соответствия экспериментальных и расчетных значений Mh приведены на рис. 7.
С использованием предложенных моделей (5), (6) и с учетом влияния температуры и частоты воздействия на вязкоупругие функции, описываемого основными положениями феноменологической релаксационной теории, проведено обоснование выбора оптимальных условий измерения (температуры и частоты) для обеспечения наилучших метрологических характеристик оценки Р и Mh. Сравнение величины ошибок моделей (5) (табл. 1) и (6) (табл. 2) показало, что оптимальными в допустимом диапазоне частот и температур условиями измерения предела прочности при разрыве являются =2,5 МГц и T=293 K; для вязкости по Муни - =0,МГц и T=373 K.
Таблица 1. Относительная погрешность математической модели (5) для каучука СКС-30 при различных температурах и частотах измерения Частота измерения, МГц 0,6 0,6 1,25 2,Температура измерения, K 373 293 293 2Средняя ошибка, % 14,039 13,992 8,653 4,2Таблица 2. Относительная погрешность математической модели (6) для каучука СКС-30 при различных температурах и частотах измерения Частота измерения, МГц 0,6 0,6 1,25 2,Температура измерения, K 373 293 293 2 Средняя ошибка, % 0,989 1,438 4,373 3,5На основе полученных математических моделей разработан интегративный метод оперативного автоматизированного контроля спектра физико-механических показателей качества аморфных эластомеров в условиях производства.
В четвертой главе разработана математическая модель движения полимерных клубков в вязкой среде под действием импульсного акустического возмущения, параметры которой связаны со структурномолекулярными показателями полимера и его концентрацией в растворе.
Для слабоконцентрированных растворов полимера макромолекулы можно считать находящимися в статистическом клубке с неперекрывающимися координационными сферами.
Учитывая малость амплитуд колебаний, пренебрегая теплообменом, размерами макромолекул, считая, что в начальный момент времени окружающая среда и молекулы находились в состоянии покоя, рассмотрено колебательное движение полимерного раствора под действием акустического импульса. За основу взято линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка, включающее параметры массы m, коэффициента вязкости , частоты собственных колебаний 0 с правой частью, соответствующей возмущению гармонического импульса вида:
Vs t e Ds t sin( t ), (7) m где Vs, Ds - параметры возмущающего сигнала, кг м / с3 ; t - время, с;
- частота акустических колебаний, Гц.
Исследование решения дифференциального уравнения позволило, исходя из физического смысла входящих в него величин, синтезировать приближенную модель колебательного движения полимерного раствора под действием акустического импульсного воздействия, применяемую для технических расчетов:
Vs s xtcos t sin t eD t t , (8) K1 K2 m 0 где x(t) - координата точки во времени, м; K1, K2 - специфичные для конкретного типа ультразвуковых преобразователей коэффициенты, определяющие влияние параметра на амплитуду вынужденных колебаний.
Для восьми экспериментальных образцов с различной концентрацией полимера в растворе и семи образцов с различными структурномолекулярными характеристиками проведена идентификация параметров m и методом наискорейшего спуска. Среднее относительное отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по модели составило =4,3%. Соответствие рассчитанных по модели (8) и экспериментальных данных представлено на рисунке 8.
Рис.8 - Экспериментальные () и расчетные (-) значения x(t) Значения рассчитанных коэффициентов парной корреляции параметра m и концентрации полимера в растворе Сp (rCpm=0,988), параметра и среднечисленной молекулярной массы Mn (rMn=0,92), параметра и средневзвешенной молекулярной массы Mw (rMw=0,823) показали статистически значимую связь параметров уравнения (8) с концентрацией полимера в растворе и со средними молекулярными массами полимера.
Осуществлен синтез уравнений связи параметров уравнения движения полимерного раствора, средних молекулярных масс и концентрации полимера в растворе. Получены зависимости в виде:
C Kc1 m Kc2, (9) p где Kc1, Kc2 - параметры математической модели связи параметра m c концентрацией полимера в растворе;
Kmn M , (10) n Kmn где Kmn1, Kmn2 - параметры математической модели связи параметра cо среднечисленной молекулярной массой полимера в растворе;
Kmw M Kmw3, (11) w Kmw где Kmw1, Kmw2, Kmw3 - параметры математической модели связи cо средневзвешенной молекулярной массой полимера в растворе.
Соответствие рассчитанных по моделям (9)(11) и экспериментальных данных представлено на рисунке 9. Анализ полученных погрешностей (4,88%, 1,2%, 2% для моделей (9), (10), (11)) позволил сделать вывод о достаточной точности полученных моделей.
Разработанные математические модели дают возможность по измеряемым акустическим свойствам раствора полимера одновременно определять основные показатели качества полимера и его концентрацию в растворе, что важно для управления процессами растворной полимеризации.
а) б) в) Рис. 9 - Экспериментальные () и расчетные (-) значения Сp (а), Mn (б) и Mw (в) В пятой главе разработан алгоритм обработки входных данных измерения распределений акустических свойств эластомеров методами акустической спектрометрии в результате частотного или температурного сканирования.
Отличительной особенностью алгоритма является декомпозиция процесса обработки входной информации, описываемая функциональной моделью процесса оценки качества по множеству измеряемых акустических свойств полимера, и включает три последовательных блока:
1. Блок классификации, позволяющий разбить множество H = (h1, h2,Е, hm) регистрируемых значений на интервалы, соответствующие единственному максимуму распределения;
2. Блок идентификации, позволяющий получить математическую модель каждого интервала с параметрами, используемыми для оценки качества;
3. Блок принятия решения, который позволяет поставить в соответствие параметрам модели подмножеств регистрируемых значений показатели качества эластомера.
Структура функциональной модели приведена на рис. 10.
Рис. 10 Функциональная модель процесса обработки информации Первым блоком в функциональной модели является блок классификации. Классификация в данном случае относит каждый элемент множества в определенный класс, содержащий элементы интервала, отвечающего требованию наличия единственного максимума. Классификация реализуется методом кластерного анализа.
Следующий блок выполняет идентификацию экспериментальных данных, соответствующих каждому интервалу, и определение параметров, которые необходимы для анализа показателя качества эластомера.
Последний блок ставит в соответствие параметры распределения конкретному значению показателя качества.
По внешнему виду зависимость основных вязкоупругих свойств полимеров, таких как компоненты комплексного модуля упругости, тангенса угла механических потерь tg для реальных полимеров от частоты и T температуры соответствует многомодальной функции распределения, начинающейся из некоторых малых значений и последовательно проходящей через экстремумы. Для аппроксимации этих функций использован метод аппроксимации каждой моды распределения с использованием решений дифференциального уравнения Пирсона.
Поскольку наблюдаемое значение tg обычно является суперпозицией всех действующих при данной частоте и температуре релаксационных процессов, после процедуры классификации всех точек исходного множества функция распределения представляется взвешенной суммой распределений, соответствующих j-му релаксационному механизму.
N F x f x (12) j j j где f x - функция распределения в интервале j ; N - количество j релаксационных механизмов (выбранное исходя из требований унимодальности распределения f x ); x - параметр распределения j (частота или температура), - коэффициент нормировки.
j Каждая мода аппроксимируется решением уравнения Пирсона df (x) (x a) f (x) . (13) dx b0 b1x b2xгде x аргумент (частота, температура и т.д.); b0,b1,b2, a - постоянные, определяемые методом моментов.
Выбор структуры решения (13) осуществляется вычислением выборочных моментов каждого интервала и расчетом каппа-критерия Пирсона . Далее по выбирается тип кривой, адекватно описывающей аппроксимируемое распределение. Корректировка параметров аппроксимирующей функции осуществляется с помощью МНК.
Таким образом, алгоритм обработки информации об акустических свойствах эластомеров после проведения температурного или частотного сканирования включает:
1. Разбиение исходного множества на интервалы, содержащие единственный максимум;
2. Нормировку множеств значений каждого интервала и расчет первых 4-х выборочных моментов ( k, k -порядок момента) для каждого интервала;
3. Расчет каппа-критерия Пирсона и параметров b0,b1,b2, a ;
4. Выбор структуры решения уравнения (13), исходя из условий (если 0, то D b 0 и знаменатель уравнения (13) имеет вещественные корни различных знаков; если 0<1, то D 0 и знаменатель уравнения (13) имеет комплексные корни; если 1, то 0 D b и знаменатель уравнения (13) имеет вещественные корни одного знака).
5. Уточнение при необходимости параметров суммарного распределения методом наименьших квадратов.
6. Проверку адекватности полученной аппроксимации данных.
7. Оценку показателей качества по параметрам аппроксимаций полученных распределений.
Алгоритм реализован для случая оценки показателей качества по параметрам распределения тангенса угла механических потерь по температуре tg T и частоте, tg .
Наблюдаемое значение tg представляется суперпозицией всех действующих при данной частоте и температуре релаксационных процессов:
N tg q tg q, (14) j j jгде tg q определяется в результате решения дифференциального урав j нения Пирсона:
dtg q q a j j tg q, (15) j dq b0 j b1 jq b2 j qгде N - количество релаксационных переходов; q - аргумент (температура или частота); aj и b0 j,b1 j,b2 j - постоянные, определяемые методом моментов; j - номер релаксационного перехода.
Проведенные экспериментальным исследования показали, что решение уравнения (15) (при действительных корнях знаменателя уравнения (15) c1 j, c2 j различных знаков) соответствует бета-распределению I типа (распределению Пирсона I рода). При этом уравнение зависимости тангенса угла механических потерь от температуры или частоты для одного интервала при q 1 j,1 j 2 j имеет вид:
k s2 j j s1 j tg q yj q 1 yj q , (16) j B s1 j, s2 j c1 j a c2 j a j j где yj q q 1 j 2 j ; s1 j и s2 j - дисперсии;
b2 j c1 j c2 j b2 j c1 j c2 j 1 j 1 c1 j ; 2 j c1 j c2 j ; c1 j, c2 j - корни уравнения b0 j b1 j q b2 j q2 0 ;
j kj - коэффициент нормировки; B s1 j, s2 j Цбета-функция.
Параметры модели (16) оценивались с помощью метода моментов и уточнялись минимизацией методом сопряженных градиентов интегральной квадратичной ошибки по среднеквадратичному критерию:
Проверка аппроксимации частотной зависимости tg L, L lg с помощью модели:
s1I s2 I kI L 1I L 1I tg L 1 s1I, s2I 2I 2I (17) s1II s2 II kII L 1II L 1II 1 s1II, s2II 2II 2 II показала снижение погрешности аппроксимации экспериментальных данных по сравнению с использованием механических моделей. График соответствия экспериментальных и рассчитанных по модели (17) значений приведен на рис. 11.
tg Рис. 11. Экспериментальные и рассчитанные по модели (17) значения зависимости tg от частоты для поливинилацетата:
рассчитанные по модели (17);
экспериментальные значения;
значения tg для перехода I;
значения tg для перехода II.
Р lg ,с 2 4 6 Математическая модель (14), (16) позволяет учитывать асимметрию и эксцесс экспериментальных характеристик без введения дополнительных релаксационных процессов и усложнения моделей. При этом для описания j-го релаксационного процесса используется 5 параметров (1 j, 2 j, s1 j, s2 j, kj ). Отличительной особенностью модели (14), (16) является связь параметров уравнения с показателями качества: температуры релаксационных и фазовых переходов j-го релаксационного механизма (T, K), которые сопj ответствуют моде распределения и рассчитываются по формуле s1 j Tпj 2 1, время релаксации j-го релаксационного механизма s1 j s2 j j j s1 j (, с) определяется по формуле Рj 2 1.
Рj s1 j s2 j j j Проверку адекватности модели (14), (15) для температурных зависимостей тангенса угла механических потерь выполняли на 8 образцах полимерных композитов на основе каучука СКИ-3, модифицированного каолином с концентрацией 07 % мас.
Экспериментальное исследование показало наличие двух температурных переходов в рабочем диапазоне температур и частот проведения измерений. Для описания температурных распределений tg T выбрана структура математической модели (14), (15) при N 2 :
s1I s2 I kI T 1I T 1I tg T 1 sI 1, sI 2 2I 2I (18) s1II s2 II kII T 1II T 1II 1.
s1II, s2II 2 II 2II Графики рассчитанных по модели (18) и экспериментальных значений тангенса угла механических потерь приведены на рис. 12.
tg tg 0% 4% T T, K T T T, K Рис. 12. Расчетные и экспериментальные значения тангенса угла механических потерь для каучука СКИ-3, где T, T - температуры и переходов:
значения tg, рассчитанные по модели (18);
расчетные значения tg для релаксационного механизма I;
расчетные значения tg для релаксационного механизма II;
экспериментальные значения tg.
Разработана математическая модель ММР полимера как функции акустических свойств раствора в рабочем диапазоне частот и температур.
Модель основана на связи частотного распределения модуля потерь с плотностью спектра времен релаксации эластомера, который отражает распределение суммарного вклада в потери фракций с определённым временем релаксации, а, следовательно, и массой. В рамках прикладной акустики возможно определение акустических свойств раствора полимера в широком частотном диапазоне, используя частотное сканирование, что позволяет определять модуль потерь комплексного модуля упругости как функцию частоты:
2c E () . (19) c 1 Модуль потерь связан так же с плотностью спектра времен релаксации:
d E () H( ), (20) 1 2 где Н() - спектр времен релаксации; - время релаксации, с.
Спектр времен релаксации, в свою очередь, связан с функцией ММР:
1 1 а H (M ) ( M ) H (M ) dM, (21) M M н где (M ) - функция ММР; M - молекулярная масса; а - константа; - a скейлинговый фактор. H M H M ; M kM.
Используя допущение, что выражение аппроксимируется 2 1 функцией, спектр времен релаксации может быть описан следующим образом:
H ( ) () E (). (22) 1 Таким образом, зависимости (19)(22) дают возможность, измеряя в реальном времени модуль потерь E (), получать спектр времен релаксации H(), по которому рассчитывается молекулярно-массовое распределение полимера (M ).
Для осуществления параметрической идентификации модели зависимости ММР полимера от акустических свойств раствора полимера необходима аппроксимация экспериментальных данных. Для аппроксимации спектра времен релаксации использовано уравнение Пирсона:
dH ( ) a H ( ), (23) d b0 b1 b2 где a, b0, b1, b2, - постоянные.
По результатам экспериментальных исследований 8-ми образцов растворов эластомеров установлено, что корни квадратного уравнения в знаменателе - действительные числа разных знаков. Исходя из этого, для моделирования спектра времен релаксации выбрано бета-распределение 1-го рода:
sy( )s 1 y( ) H ( ) , (24) k B(s1, s2 ) где s1, s2 - параметры распределения; y() - аргумент распределения;
B(s1,s2) - значение бета-функции; k - нормировочный коэффициент.
Пример результатов моделирования спектра времен релаксации для двух образцов полимеров в растворе представлен на рисунке 13.
Среднее отклонение расчетных значений от экспериментальных составило 2,68810-4, среднее относительное отклонение 3,9 %.
образец 1 образец Рис. 13 - Экспериментальные () и расчетные (-) значения спектра времен релаксации Используя решение дифференциального уравнения Пирсона, переходя к логарифмическому релаксационному спектру и произведя замены переменных в (21) в соответствии с (24), получена зависимость для ММР полимера:
kMM s1 s2 s1 s y 1 y y 1 y k M kMM 1 d,(25) B s1, s2 B s1, s2 ln k 1 2 где kMM1, kMM2, k1, k2 - параметры модели.
Выражение (25) получено с использованием модели спектра времен релаксации и используется для идентификации параметров kMM1, kMM2, k1, k2, однако, при обработке экспериментальных данных используется дискретный спектр времен релаксации. С учетом этого, выражение (25) примет вид:
kMM N H (i ) k M kMM 1 H ( ), j 0, N (26) j j lni k i 2 a где N - число экспериментальных точек; M ( ) k - функция пеj j ресчета времени релаксации в молекулярную массу; a и k - константы.
С использованием выражений (19), (22) и заменой 1 , получена зависимость релаксационного спектра от акустических параметров:
H ( ) 2c3. (27) 1 c С учетом выражений (21) и (27) получена зависимость ММР от акустических параметров:
kMM N 2 c3 ln 2 c3 ln j j j j j j k(28) M j kMM1 2 2 lni k i 1 c ln j j j 1 j c j ln j Для параметрической идентификации модели (28) использован среднеквадратичный критерий. В результате получены значения параметров:
kMM1= 1,238, kMM2= 0,266, k1= -8,596, k2= -114,054.
Примеры результатов моделирования ММР для двух образцов представлены на рисунке 14. Среднее относительное отклонение расчетных значений от экспериментальных составило 13,1%.
(M) (M) образец 1 образец Рис. 14 - Экспериментальные (-), рассчитанные по экспериментальным значениям спектра времен релаксации () и рассчитанные по модели спектра времен релаксации (- -) значения ММР образцов полимера Таким образом, разработанный алгоритм обработки получаемых в результате частотно-температурного сканирования распределений акустических свойств эластомеров позволяет оценивать такие показатели качества эластомеров как температуры релаксационных и фазовых переходов, времена релаксации и ММР эластомеров.
В шестой главе приводятся технические решения по реализации разработанных методов контроля качества полимеров на основе синтезированных в работе математических моделей для повышения эффективности управления технологическими процессами, связанными с производством и переработкой эластомеров.
Разработана система автоматизированного УЗ контроля качества (рис. 15), позволяющая оперативно оценивать основные показатели качества аморфных эластомеров в условиях производства (патенты РФ № 2319956, 2319956, 2319957).
Показан пример интеграции в контур АСУТП УЗ метода контроля степени кристалличности каучука в подготовительном цикле шинного производства. Использование экспресс-анализа степени кристалличности каучука позволило оперативно определять минимальное время пребывания брикета каучука в декристаллизационной камере, обеспечивающее полную декристаллизацию брикета каучука, что сэкономило энергоресурсы предприятия (рис. 16а).
Использование УЗ метода контроля Измерительная ячейка Термостат структурно-молекулярных характеристик и концентрации полимера в растворе дает возможность осущеЦифровой ствлять оперативное осциллограф Цифровой измерение этих парагенератор метров непосредственно в ходе синтеза.
Для этого предложено устройство и метод контроля качества покомпьютер лимера на стадии расРис. 15 Система автоматизированного контроля качества творного синтеза поэластомеров либутадиена (рис.
16б).
x() б) Автоматизация контроля структурно-молекулярных параметров полимера в ходе его синтеза Рис. 16 - Схема интеграции методов контроля физико-химических параметров полимеров в систему управления технологическим процессом Представлены рекомендации по использованию разработанных методов УЗ контроля качества аморфных полимеров в рамках минилабораторий на предприятиях, занимающих производством РТИ и переработкой полимеров.
Выводы В результате проведенных исследований разработана методология синтеза информационно-измерительных УЗ систем контроля спектра показателей качества аморфных эластомеров и их растворов для периодических и непрерывных технологических процессов в производстве и переработке эластомеров, обеспечивающих с достаточной точностью воспроизведение совокупности использующихся методов контроля качества, автоматизацию и оперативность оценки качества производимой продукции.
1. Проведен системный анализ методов оценки качества эластомеров в промышленности, выявлены их общие системные свойства и закономерности обработки измеряемой информации, заключающиеся в выделении функциональных подсистем, осуществляющих получение исходной информации, оценку реологических свойств при определенных частотно-температурных условиях и их интерпретацию в единицах измерения качества.
2. На основе выявленных закономерностей разработана структура УЗ информационно-измерительной системы, отличительной особенностью которой является использование для получения исходной информации подсистемы УЗ измерений и дополнение её подсистемой выбора частотно-температурных условий УЗ измерений, обеспечивающей наилучшие метрологические характеристики, а так же подсистемой математического моделирования информационной связи показателей качества эластомеров с их акустическими свойствами.
3. Синтезирован комплекс математических моделей показателей качества аморфных эластомеров как функции акустических свойств: степени кристалличности, твердости по Шору, предела прочности при разрыве, вязкости по Муни эластомеров. Относительная погрешность оценки показателей качества составила 3,9211,72%, 3,46 %, 4,29 %, 0,99 % соответственно. Разработана методика выбора частот и температур проведения акустических измерений твердости по Шору и вязкости по Муни полимера, позволяющая снизить погрешности измерений.
4. Синтезированы математические модели показателей качества растворов полимеров как функции акустических свойств, а именно: математическая модель движения макромолекул полимера в растворе для случая импульсного гармонического возмущения ультразвуковым преобразователем, позволяющая со средней относительной погрешностью 4,3 % описывать колебательный процесс в системе полимеррастворитель; зависимость между структурно-молекулярными характеристиками, концентрацией полимера и параметрами колебательного процесса в растворе. Относительная погрешность модели для концентрации полимера в растворе составила 4,88 %, для среднечисленной молекулярной массы 1,2 %, для средневзвешенной молекулярной массы 2 %.
5. Разработан новый алгоритм обработки получаемых в результате частотно-температурного сканирования распределений акустических свойств полимеров на основе математических моделей связи акустических свойств и показателей качества, позволяющий получать оценки температур релаксационных, фазовых переходов, времен релаксации и функции ММР эластомеров.
6. Разработаны математические модели показателей качества эластомеров как функции параметров регистрируемых методами акустической спектроскопии распределений акустических свойств, а именно: математические модели с параметрами распределения, отражающими свойства эластомеров (температуры фазовых и релаксационных переходов, эффективные времена релаксации), экспериментально подтвержденная погрешность аппроксимации экспериментальных данных (2.71% для резиновых смесей на основе каучука СКИ-3); аппроксимация экспериментальных значений спектра времен релаксации полимера с использованием семейства универсальных распределений Пирсона, среднее относительное отклонение экспериментальных значений от расчетных составило 3,9 %; математическая модель связи ММР с акустическими характеристиками, среднее относительное отклонение экспериментальных значений от расчетных составило 13,1 %.
7. Синтезированы новые методы контроля качества эластомеров, позволяющие оперативно осуществлять контроль спектра показателей качества в рамках автоматизированной системы контроля.
8. Разработаны технические решения по реализации разработанных методов автоматизированного УЗ контроля показателей качества эластомеров в условиях действующего производства и их интеграции в АСУТП для повышения эффективности управления технологическими процессами.
Перечень основных публикаций автора по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях, определенных ВАК РФ по научной специальности диссертационной работы:
1. Битюков В. К. Моделирование вязкостных свойств растворов полибутадиена / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, И. А. Хаустов [Текст] // Каучук и резина. - 1997. - № 2. С. 42-46.
2. Битюков В. К. Возможность контроля качественных показателей в процессах растворной полимеризации [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А.
Хвостов // Каучук и резина. - 1998. - № 5. - С. 41-43.
3. Битюков В. К. Расчет конверсии мономера по температуре в реакторе [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов // Каучук и резина. - 1999. - № 1. - С. 20-22.
4. Битюков, В.К. Исследование структуры и толщины кордного полотна [Текст] / В.К. Битюков, А.А. Хвостов, П.А. Сотников // Каучук и резина. - 2003. - № 1.
Ц С. 34Ц36.
5. Битюков, В. К. Система поддержки принятия решений в производстве СКД [текст]/ В.К. Битюков, В.Ф. Лебедев, С.Г. Тихомиров, А.А. Хвостов, Е.А. Хромых // Каучук и резина. 2004. № 6. С. 1721.
6. Тихомиров С. Г. Математическая модель акустического анализатора пластоэластических свойств полимерных композиций [Текст] / С. Г. Тихомиров, А.
А. Хвостов, А. А. Баранкевич // Системы управления и информационные технологии. - М., 2006. - С. 20-23.
7. Битюков, В. К. Математические модели акустического измерения степени кристалличности каучуков [Текст] / В.К. Битюков, А.А. Хвостов, С.А. Титов, П.А. Сотников, М.А. Зайчиков // Каучук и Резина. - 2006. - №5. - С. 26-30.
8. Битюков, В.К. Применение ультразвукового контроля качества при переработке отходов полимеров [текст]/ В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, А.А. Хвостов, А.А. Баранкевич// Механотроника, автоматизация, управление. Приложение Автоматизация технологических процессов: управление, моделирование, диагностика, контроль. 2006, №7, С. 16-18.
9. Тихомиров, С.Г. Программный модуль для установки неразрушающего экспресс-анализа физико-механических характеристик каучука [текст]/ С.Г. Тихомиров, А.А. Хвостов, А.А. Баранкевич// Контроль и диагностика. 2006, № 6, с. 39-42.
10. Битюков, В. К. Контроль показателей качества эластомеров акустическим методом с учетом их частотно-температурных характеристик [Текст] / В.К.
Битюков, С.Г. Тихомиров, А.А. Хвостов, М.А. Зайчиков // Мехатроника, автоматизация и управление. - 2007. - №7 - С. 11-14.
11. Битюков, В. К. Моделирование спектров механических потерь в эластомерах семейством универсальных распределений Пирсона [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, М. А. Зайчиков // Системы управления и информационные технологии. - 2007. - №4(30) - С. 220-224.
12. Битюков, В. К. Оценка показателей качества полимера по частотному спектру модуля упругости [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, М. А. Зайчиков // Системы управления и информационные технологии. - 2008. - №1(31) - С. 124-126.
13. Хвостов, А.А. Моделирование релаксационных спектров эластомеров с использованием универсальных семейств распределений [текст]/ А.А. Хвостов // Системы управления и информационные технологии. 2008, №1.1(31), С. 203207.
14. Битюков, В.К. Молекулярно-кинетическое моделирование для систем ультразвукового контроля свойств растворов полимеров [текст]/ В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, А.А. Хвостов, А.Ю. Енютин// Системы управления и информационные технологии. 2008, №3.3(33), С. 333-336.
15. Битюков, В.К. Математическая модель колебательного движения частицы в вязкой среде для контроля качества раствора полимера [текст]/ В.К. Битюков, В.Ф. Лебедев, А.А. Хвостов, А.Ю. Енютин// Системы управления и информационные технологии. 2009, №1.2(35), С. 215-217.
16. Хвостов, А.А. Акустический метод контроля качества растворов полимеров с переменными параметрами возмущения [текст]/ А.А. Хвостов// Системы управления и информационные технологии. 2009, №1.2(35), С. 300-303.
17. Компенсационно-реверберационный метод ультразвукового контроля вязкоупругих характеристик растворов полимеров [Текст] / В. К. Битюков, С. Г. Тихомиров, А. А. Хвостов, А. Ю. Енютин // Датчики и системы. - 2009. - № 5. - С. 55Ц58.
18. Сравнительная характеристика методов расчета спектров времен релаксации полимеров [текст]/ В. К. Битюков, А. А. Хвостов, Н.Н. Третьякова // Вестник ВГТА. - 2010. - №2(44). - с. 85-89.
19. Битюков В.К., Хвостов А.А., Рылев С.С., Ребриков Д.И. Синтез математических моделей распределений измеряемых величин для контроля качества// Системы управления и информационные технологии, 4.1(42), 2010, С. 108-110.
20. Битюков В.К., Хвостов А.А., Третьякова Н.Н., Рязанов А.Н. Модификация алгоритмов регуляризации в задачах оценки спектров времен релаксации полимеров// Системы управления и информационные технологии, 4.1(42), 2010, С. 110-114.
Публикации в других изданиях, монографии, патенты, регистрации программных продуктов 21. Битюков, В.К. Управление качеством в процессах растворной полимеризации: монография/ В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, В.Ф. Лебедев, А.А. Хвостов, И.А. Хаустов// Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2008. - 156 с.
22. Чертов, Е.Д. Усовершенствование способа контроля качества полимеров [текст]/ Е.Д. Чертов, А.А. Хвостов, А.А. Баранкевич // Математическое моделирование информационных и технологических систем: сб. науч. тр./ Воронеж. гос. технол. акад. - Вып. 7. Воронеж, 2005. с. 238.
23. Тихомиров С.Г., Хвостов А.А., Баранкевич А.А. Математическая модель зависимости акустических характеристик полимерных композиций от вязкости по Муни [Текст] // Качество науки - качество жизни. - т.2. - Тамбов: ТГТУ, 2006.
24. Тихомиров, С.Г. Косвенная оценка нескольких показателей качества по дискретному спектру времен релаксации [Текст] / С.Г. Тихомиров, А.А. Хвостов, А.А. Баранкевич, М.А. Зайчиков // Сб. науч. Трудов: Теоретические основы проектирования технологических систем и оборудования автоматизированных производств / Воронеж, Воронеж гос. технол. акад., 2007. - ч. 1 - с. 40 - 49.
25. Битюков, В.К. Возможность определения показателей качества растворов полимеров ультразвуковым способом [текст]/ В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, А.А. Хвостов, И.А. Хаустов// Теоретические основы проектирования технологических систем и оборудования автоматизированных производств: сб. науч.
Трудов в 2ч. Ч.1 Вып. 5/ Воронеж. гос. технол. Акад. - Воронеж.: ВГТА, 2007.
Ц с. 36-39.
26. Битюков, В.К. Методика обработки распределений измеряемой величины для оценки качественных показателей / В.К. Битюков, А.А. Хвостов, Д.И. Ребриков// Сборник трудов Современные проблемы информатизации в экономике и обеспечении безопасности. Выпуск 14 Воронеж, 2009 г. С. 19-22.
27. Пат. 2319956 Российская Федерация, МПК 7 G 01 29/00. Способ ультразвукового определения степени кристалличности каучуков [Текст] / Битюков В.
К., Хвостов А. А., Сотников П. А. ; № 2005121881/28 заявл. 15.03.2004 ; опубл.
20.09.2007, Бюл. № 8.
28. Пат. 2210763 Российская Федерация, МПК 7 G 01 N 27/70. Теплофизический способ определения средних молекулярных масс растворов полимеров [Текст] / Битюков В. К., Лебедев В. Ф., Тихомиров С. Г., Хвостов А. А., Ромасенко А.
В. ; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - № 2002120261/28 ; заявл. 25.07.2002 ; опубл. 20.08.2003, Бюл. № 23 (III ч.).
29. Пат. 2276673 Российская Федерация, МПК 7 C 08 F 2/04. Способ контроля молекулярных параметров в процессах растворной полимеризации диенов / Чертов Е.Д., Тихомиров С. Г., Хвостов А. А., Баранкевич А. А.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - № 2003122537 ; заявл. 18.07.2003 ; опубл.
10.09.2004, Бюл. № 25.
30. Пат. 2235731 Российская Федерация, МПК 7 C 08 F 136/06. Способ автоматического регулирования молекулярно-массового распределения линейного полибутадиена / Битюков В. К., Лебедев В. Ф., Тихомиров С. Г., Хвостов А. А., Хромых Е. А. ; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - № 2003122537 ; заявл. 18.07.2003 ; опубл. 10.09.2004, Бюл. № 25.
31. Пат. 2319956 РФ, МПК 7 G 01 29/00. Способ ультразвукового контроля вязкости по Муни полимеров [Текст] / Битюков В.К., Тихомиров С.Г., Хвостов А.А., Хаустов И.А., Баранкевич А.А., Зайчиков М.А. (РФ); № 2319956 заявл.
15.03.2006; опубл. 20.09.2007 Бюл. №8. - с. 6, ил.
32. Пат. 2319957 РФ, МПК 7 G 01 29/00. Способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров [Текст] / Битюков В.К., Тихомиров С.Г., Хвостов А.А., Баранкевич А.А., Зайчиков М.А. (РФ); № 2319957 заявл.
15.03.2006; опубл. 20.09.2007 Бюл. №8. - с. 6, ил.
33. Хвостов, А.А. Программа расчета акустических характеристик свойств среды по данным измерений ультразвуковыми преобразователями и цифровым осциллографом [Электронный ресурс] / А.А. Хвостов, М.А. Зайчиков, Н.Н.
Третьякова // Государственный фонд алгоритмов и программ, регистрационный номер 50200800023.
34. Битюков, В. К. Программа расчета степени кристалличности каучуков на основе измеренных ультразвуковых характеристик [Электронный ресурс] / В. К.
Битюков, А. А. Хвостов, П. А. Сотников, А. Ю. Енютин // Государственный фонд алгоритмов и программ. - № 50200500925; 21.06.2005.
35. Битюков, В. К. Программа расчета вязкоупругих свойств растворов полимеров по определяемым акустическим свойствам этих растворов [Электронный ресурс] / В.
К. Битюков, А. А. Хвостов, И. А. Хаустов, А. Ю. Енютин, М. Л. Моторин // Государственный фонд алгоритмов и программ. - № 50200801462; 09.07.2008.
Отпечатано в типографии ФГУ Воронежский ЦНТИ 394730, г. Воронеж, пр. Революции, Подписано в печать ЕЕЕ..
Бумага офсетная Ризография Формат 60х84 1/Усл. п.л. 2.0 Тираж 120 экз. Заказ ______
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям