Информационно-измерительный комплекс для исследования реологических, акустических и электрических свойств полимеризующихся составов 05. 11. 16 Информационно-измерительные и управляющие системы

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Целью работы Методы исследования Научная новизна Практическую значимость работы Основные положения, выносимые на защиту Внедрение результатов работы Личный вклад автора Апробация работы Структура и объем работы Основное содержание работы 6, закрепленная в торцевой части инерционного диска, под действием силы притяжения электромагнита 7 J – момент инерции колебательной подсистемы; D F – сила, определяемая с помощью датчика на расстоянии d 1 заливается в специальную фторопластовую кювету 2 S(t) (одномерного массива) является матрица значений коэффициентов С(a, b) 1 – высоковольтный электрод; 2 Основные результаты работы Публикации по теме диссертации Информационно-измерительный комплекс ... Полное содержание

Подобный материал:

• 05. 11. 16 Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)*, 39.92kb.
• Программы вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 05. 11. 16 Информационно-измерительные, 71.85kb.
• Помехоустойчивые методы идентификации информационно-измерительных и управляющих систем, 246.94kb.
• Артеменко Юрий Николаевич исследование и разработка информационно-измерительной системы, 450.64kb.
• Автоматизированные информационно-измерительные системы, 199.1kb.
• Алгоритмы и средства регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии для автоматизированной, 240.87kb.
• Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальности 210100, 395.17kb.
• Журнал «Информационно-измерительные и управляющие системы», №12, т. 8, 2010 г., стр., 163.19kb.
• Журнал «Информационно-измерительные и управляющие системы», №12,т. 8,2010г., стр. 70-73, 193.15kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 11. 16 «Информационно-измерительные, 62.74kb.

На правах рукописи




Баханцов Александр Викторович


Информационно-измерительный комплекс

для исследования реологических, акустических
и электрических свойств полимеризующихся составов


05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Хабаровск – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет»

Научный руководитель:	доктор технических наук, доцент Римлянд Владимир Иосифович
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук Просанов Игорь Юрьевич
	кандидат технических наук, доцент Конопелько Геннадий Константинович

Ведущая организация:

Дальневосточный филиал ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»

Защита состоится « 24 » июня 2009 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.294.05 в ГОУВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, д. 136, ауд. 315л.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского
государственного университета.


Автореферат разослан « 17 » мая 2009 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Бурдинский И.Н.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы. Развитие измерительной техники и достижения в сфере информационных технологий позволяют значительно расширить возможности проведения экспериментальных научных исследований. Использование микропроцессорной и компьютерной техники позволяет качественно изменить проведение физического эксперимента: повысить точности измерений, их продолжительность, создать новые экспериментальные методы и расширить возможности применения существующих. В настоящее время фактически любая экспериментальная задача решается с применением средств автоматизации. Такие факторы, как трудоемкость измерительных операций, большие вычислительные затраты, быстро или, напротив, очень длительно протекающие процессы, необходимость параллельного проведения измерений, биологическая, химическая или другая опасность, связанная с проведением экспериментов, – обосновывают актуальность автоматизации научно-исследовательской деятельности.

Разрабатываемый в данной работе измерительный комплекс относится к классу информационно-измерительных комплексов для физических исследований. Основное назначение комплекса – исследование динамики физических свойств образцов в широком диапазоне изменения измеряемых параметров при переходе материала образцов из жидкого состояния в высоковязкое, гелеобразное и твердое в течение длительного времени. При этом измерение определенных для изучения свойств должно проводиться совместно (параллельно), что делает результаты, полученные различными методами, сопоставимыми между собой. В рамках данной работы для изучения определены три группы параметров. Это реологические параметры образцов – модуль сдвига и модуль механических потерь, релаксация механических напряжений; акустические параметры: скорость звука, коэффициент акустического затухания, дисперсионные характеристики; электрические свойства – объемное электрическое сопротивление по постоянному току. Предложенные способы и средства автоматизации измерений позволят решать как научные задачи, связанные с изучением кинетики процессов структурирования композиционных материалов, в частности, исследование процесса отверждения полимеризующихся образцов различного состава, так и различные прикладные инженерно-технические задачи по измерению и контролю физических параметров материалов.

Целью работы является разработка информационно-измерительного комплекса для исследования динамики физических характеристик образцов материалов в различных физических состояниях и при переходе из одного состояния в другое.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Изучение существующих методов и средств измерения и регистрации реологических и акустических параметров вязкоупругих материалов.

2. Разработка способа измерения, позволяющего проводить исследование реологических свойств образца при переходе из жидкого состояния в твердое и создание на его основе автоматизированной системы для измерения реологических характеристик материала образца.

3. Разработка и создание автоматизированных систем для непрерывных измерений акустических и электрических параметров образцов при переходе из жидкого состояния в твердое.

4. Обеспечение сопряжения информационно-измерительных устройств и приборов с ЭВМ. Разработка пользовательских и программных интерфейсов для доступа к функциям устройств, программного управления, дистанционного контроля состояния и информационного опроса приборов.

5. Разработка универсального для всех систем измерительного комплекса алгоритма, обеспечивающего совместный ход измерительных процессов при одновременном изучении нескольких групп свойств.

6. Разработка управляющего программного обеспечения измерительного комплекса и вспомогательных программ для автоматического выполнения измерительных операций, обработки и визуализации результатов.

7. Исследование метрологических характеристик разработанного измерительного комплекса.

Методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались методы автоматизации физического эксперимента, неразрушающего контроля, теория дифференциальных уравнений, теория и математический аппарат Фурье и вейвлет-преобразований, теория объектно-ориентированного программирования и построения многопоточных приложений, теория межпроцессных коммуникаций в операционных системах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена и реализована методика проведения одновременных измерений нескольких физических параметров, основанная на совместном выполнении измерительных процессов в едином измерительном комплексе.

2. Предложен алгоритм параллельного выполнения вычислительных потоков программного обеспечения, имеющих участки программного кода, критичного ко времени выполнения в многозадачных операционных системах с разделением времени.

3. Предложен способ, разработана и реализована методика автоматизированного измерения модуля сдвига и модуля механических потерь в образцах полимеризующихся материалов в различных физических состояниях в процессе отверждения.

4. Предложена методика и разработано устройство для автоматизированного изучения процессов релаксации механического напряжения и деформации образцов полимеризующихся материалов в процессе отверждения.

5. Предложена и программно реализована методика расчета, построения и анализа частотно-временных разверток акустических сигналов с использованием математического аппарата непрерывного вейвлет-преобразования.

Практическую значимость работы составляют:

1. Разработанный информационно-измерительный комплекс для исследования реологических, акустических и электрических свойств полимеризующихся составов.

2. Система акустического мониторинга состояния строительных конструкций, разработанная на основе аппаратно-программного обеспечения измерительного комплекса.

3. Разработанное программное обеспечение: системное – для автоматизации работы измерительных приборов и устройств, прикладное – для визуализации и обработки массивов получаемых данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структурная схема информационно-измерительного комплекса для изучения реологических, акустических и электрических свойств образцов полимеризующихся составов.

2. Структура и алгоритмы работы программного обеспечения измерительного комплекса: измерительных модулей, модулей обработки и визуализации результатов.

3. Способ и методика измерения модуля сдвига и модуля механических потерь, параметров релаксации механического напряжения образцов полимеризующихся материалов в различных физических состояниях в процессе отверждения.

4. Системы измерения акустических параметров и электрического сопротивления образцов полимеризующихся составов.

5. Методика и программная реализация алгоритма построения и анализа частотно-временных разверток рядов отсчетов акустических сигналов с использованием математического аппарата непрерывного вейвлет-преобразования.

Внедрение результатов работы

Разработанный информационно-измерительный комплекс использовался в лаборатории физико-технических измерений ГОУВПО «ТОГУ» при выполнении НИР по теме №1.1.06 Ф «Исследование физических механизмов формирования структуры вещества при фазовом переходе жидкость – твердое тело», при выполнении работ по договору с Министерством экономического развития Хабаровского края №15-354 от 02.02.2007 «Разработка методов автоматизированного контроля реологических свойств вязких жидкостей».

Система измерения реологических параметров использована в производственной деятельности ООО «Алькан-ДВ» (г. Хабаровск) для исследования вязкостных свойств эпоксидофторопластов.

Программно-аппаратное обеспечение системы измерения акустических параметров внедрено в составе системы акустического мониторинга состояния строительных конструкций в КГУП «Хабаровскгражданпроект».

Личный вклад автора

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в разработке способа и методики измерения реологических параметров вязкоупругих материалов, разработке аппаратно-программных средств автоматизации измерительных процессов, а также разработке и исследовании алгоритмов обработки результатов измерений.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты работы обсуждались на:

1. XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005 г.);

2. Международном российско-корейском симпозиуме «Signal Transition, Processing, Sensor and Monitoring Systems» (Хабаровск, 2006 г.);

3. Международном восьмом российско-китайском симпозиуме «Modern Materials and Technologies» (Хабаровск, 2006г.);

4. Седьмой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2007 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 статья в издании из перечня, рекомендованного экспертным советом ВАК по профилю диссертации, 1 патент на изобретение и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста и содержит 51 рисунок, 11 таблиц, 114 наименований библиографических источников и 4 приложения.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении изложена актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе выполнен обзор существующих информационно-измерительных средств и методов, позволяющих изучать реологические и акустические параметры вязкоупругих материалов, в том числе полимерных композиционных материалов. Рассмотрены сущность и содержание процессов автоматизации физико-технических измерений и экспериментов. С целью выбора архитектуры и программно-аппаратной платформы разрабатываемого измерительного комплекса проведен анализ современных подходов к построению информационно-измерительных комплексов. Рассмотрена структура и основные функциональные возможности и ограничения систем на базе промышленных стандартов модульной электроники КАМАК, PXI и систем на базе стационарных модульных ЭВМ типа IBM PC.

В качестве начального этапа разработки выполнен анализ имеющихся
методов и устройств измерения вязкоупругих характеристик. Рассмотрены реализации автоматизированных систем и дано краткое описание принципов работы ротационных и капиллярных вискозиметров, реометра сжатия, приборов
и систем, основанных на вибрационном методе и методе свободных колебаний. Из акустических методов рассмотрен хорошо зарекомендовавший себя метод контроля акустических параметров на основе измерения времени
прохождения ультразвукового импульса через образец. Рассмотрена автоматизированная система для контроля степени отверждения композиционных составов.

Проведенный обзор показал, что существующие методы и технические решения не позволяют изучать вязкоупругие свойства материалов в широком диапазоне изменения параметров. Измерительный диапазон выпускаемых промышленных вискозиметров недостаточен для исследования процессов физического перехода жидкость – твердое тело. Существующие же научные разработки сконцентрированы в основном на изучении теплофизических и механических свойств в пределах одного физического состояния. Исследование динамики свойств полимеризующихся материалов в процессе отверждения характеризуется рядом особенностей: продолжительностью процесса исследования
(до нескольких суток), изменением измеряемых параметров в широких пределах; для получения достоверных и сопоставимых результатов при исследовании различных физических свойств образца одного состава измерения необходимо проводить одновременно, в параллельном режиме.

В заключительной части первой главы выполнена постановка задачи
исследования, сформулированы общие требования к разрабатываемому информационно-измерительному комплексу (ИИК) и проведению экспериментов.

Во второй главе разрабатывается информационная модель ИИК, проектируется структура (рис. 1) и дается функциональное описание создаваемых блоков и подсистем ИИК.

Система измерения реологических параметров представляет собой оригинальную измерительную установку, сопряженную с ЭВМ. Система измерения акустических параметров построена на базе электронного генератора сигналов произвольной формы ГСПФ-052, электронного осциллографа Bordo B-211. ГСПФ-052 обеспечивает генерацию математически рассчитанного сигнала
в частотном диапазоне от 0 до 10 МГц. Электронный осциллограф Bordo B-211 обеспечивает оцифровку акустических сигналов с быстродействием до 100 МВыб/с. Система измерения электрических параметров построена на
базе двух цифровых высокоточных вольтметров В7Э-42 и цифровых комбинированных приборов Щ-301. Одной из задач исследования является автоматизация работы измерительных приборов, обладающих высокими метрологическими характеристиками, с целью расширения возможности их применения и включения в состав ИИК.

Разработана структура программного обеспечения ИИК и файлов
данных. Для обеспечения функционирования каждой измерительной системы необходимо было разработать модуль управления экспериментом, модули
обработки экспериментальных данных и модули визуализации результатов измерения. Для программирования использовались языки C++ и Object Pascal.




Рис. 1. Блок-схема информационно-измерительного комплекса:

ИУ – измерительная установка; БСИ-1,2 – блоки сопряжения интерфейсов; ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь; У3 – усилитель высокочастотный широкополосный; Г5 – генератор импульсов; ВУ– высоковольтный усилитель; ДТ – датчик температуры; Bordo B-211, ГСПФ-052 – платы электронного осциллографа
и генератора соответственно; СК-КОП – специальный контроллер канала общего пользования


Программное обеспечение комплекса реализовано в соответствии с концепцией объектно-ориентированного программирования, при этом главным объектом абстракции является «измерительная система». Объект характеризуется набором свойств и методов и является прототипом всех измерительных систем ИИК. Такой подход к реализации программного обеспечения стал возможен благодаря предложенной и спланированной на этапе проектирования комплекса методике проведения физического эксперимента. Несмотря на то, что каждая разработанная система измеряет различные физические параметры, общий план измерительного эксперимента унифицирован и описан в системе классов объектно-ориентированного программирования. Таким образом, в процессе работы реализуется единый алгоритм проведения эксперимента (рис. 2).




Рис. 2. Рабочий цикл измерительной системы


При работе в параллельном режиме (одновременное изучение нескольких свойств) ИИК периодически по программе, заданной оператором, в каждой измерительной системе инициирует измерительный процесс, при этом для каждой системы создается свой программный поток (thread).

В процессе разработки ПО в каждой измерительной системе были определены элементы кода, критичные ко времени выполнения, как правило, это подпрограммы, отвечающие за обмен данными с внешними устройствами. Поскольку в операционных системах с разделением времени распределение процессорного времени происходит согласно принципу вытесняющей многозадачности, то необходимо было предотвратить возможность наложения по времени таких участков кода, выполняющихся в разных потоках ПО. Для этой цели был предложен алгоритм управления приоритетами потоков. На рис. 3 приведена диаграмма, поясняющая логику работы ПО в самом сложном, с точки зрения производительности, случае при совпадении по времени измерительных циклов на всех трех измерительных системах. Текущий запуск систем измерения реологических, акустических и электрических параметров произведен соответственно в Ti рео < Tj ак < Tk эл.




Рис. 3. Диаграмма использования ресурсов ЦП потоками ПО:

Нормальный приоритет, совместное использование ресурсов ЦП

Повышенный приоритет, монопольное использование ресурсов ЦП

ИВ – инициирующее воздействие; РК – регистрация колебаний; ОК – обработка колебаний; Э/Ф – вывод на экран/файл; РС – расчет сигнала; ГС – генерация сигнала; ИП – запись информационного параметра; ФВ – расчет физ. величин; ИУ – инициализация устройств; ИЗМ – измерение


Суть алгоритма состоит в повышении приоритета измерительного потока на время выполнения критичных операций (РК, ИП, ИЗМ). В операционной системе Windows планировщик процессорного времени содержит очереди потоков, готовых к выполнению, для каждого приоритета – своя очередь. Планировщик просматривает все очереди, начиная с самого высокого приоритета, и выделяет квант процессорного времени потоку с повышенным приоритетом. После чего перемещает его в конец очереди и начинает просматривать очереди заново. В случае если один из измерительных потоков процесса уже выполняется с повышенным приоритетом, повышение приоритета для остальных потоков не производится, иначе все потоки с одинаковым приоритетом попадут в одну очередь планировщика ОС и кванты процессорного времени будут выдаваться им по очереди. При возникновении такой ситуации поток «кандидат» ожидает понижения приоритета потока, в котором выполняется критичный участок кода, до нормального, после чего приоритет потока «кандидата» может быть повышен.

В третьей главе описывается система измерения реологических параметров: предложенный способ измерения, разработанная измерительная установка и программное обеспечение системы.

В основе принципа действия созданной измерительной установки лежит метод свободно-затухающих крутильных колебаний. В настоящее время данный метод широко используется для изучения механических свойств материалов в твердом состоянии. На основе классической схемы метода свободно-затухающих колебаний разработан и запатентован способ измерения и устройство для его осуществления (рис. 4, а), позволяющие применять метод не только для твердых образцов, но и для образцов в сильновязком и жидком состояниях.



Рис. 4. Измерение реологических параметров:
измерительная установка (a), зависимости угла
поворота крутильного маятника от времени
для упругого (б) и для вязкого (в) образцов

1 – образец; 2 – кювета; 3 – подвес; 4 – инерционный диск; 5 – упругий элемент; 6 – штанга; 7 – электромагнит; 8 – датчик угла поворота; 9 – подвижный сектор





Предложенный способ измерения заключается в следующем (рис. 4, а): исследуемый состав 1 заливают в кювету 2 – тонкостенную полимерную трубку длиной 200 мм, диаметром 5 мм. Толщина стенки кюветы не превышает 10 мкм. Вязкоупругие свойства пустой кюветы ничтожно малы, настолько, что ими можно пренебречь. Для обеспечения определенного постоянного натяжения кюветы и образца, на стадии подготовки эксперимента, используется подвес 3. Полученный таким образом составной образец вместе с инерционным диском 4 образует колебательную подсистему крутильного маятника. Параметры крутильных колебаний, совершаемых маятником, определяются свойствами изучаемого состава. Поскольку в жидкой фазе вязкоупругие свойства образца еще недостаточно выражены, то на этой стадии, для обеспечения необходимого для расчетов количества колебаний, в систему включается упругий элемент в виде резинового жгута или пружины 5. Свойства упругого элемента изучаются отдельно при пустой кювете на стадии подготовки к эксперименту.

В процессе работы системы металлическая штанга 6, закрепленная в торцевой части инерционного диска, под действием силы притяжения электромагнита 7 поворачивается на заданный угол, преодолевая противодействие, вызванное упругими свойствами образца. После выключения электромагнита совершаются затухающие колебания крутильного маятника, при этом оригинальный оптический датчик 8 записывает колебания сектора 9, жестко связанного с маятником. Измерительный процесс выполняется в автоматическом режиме в соответствии с функциональными параметрами, заданными оператором в программном обеспечении. Первичным результатом работы системы измерения реологических параметров является набор оцифрованных зависимостей угла поворота маятника от времени φ(t) (рис. 4, б, в), полученных через определенные интервалы времени – период измерения. Поскольку измерения могут быть достаточно длительными, снижение избыточности получаемых данных достигается за счет возможности задания различного периода измерения на разных этапах хода эксперимента.

Для определения реологических характеристик композиционного образца предложено использовать модель колебаний вязкоупругого тела Александрова-Лазуркина (рис. 5). Зависимость угла поворота крутильного маятника φ(t) может быть описана уравнением (1):

(1)

где А, В, С, α, β, ω – параметры колебательного движения; α и β – коэффициенты затухания соответственно на первой стадии (затухающий колебательный процесс) и второй – релаксационной стадии; ω – частота колебаний на первой стадии. Необходимо определить связь между параметрами уравнения (1) и физическими характеристиками среды – модулем сдвига и модулем механических потерь. С этой целью, исходя из свойств элементов модели Александрова-Лазуркина и уравнения динамики для крутильных колебаний получено дифференциальное уравнение (2), решением которого является выражение вида (1).

(2)

где J – момент инерции колебательной подсистемы; D – коэффициент, учитывающий модуль кручения кюветы и жесткость упругого элемента; F – форм-фактор образца. Используя определение комплексного модуля сдвига , где – динамический модуль сдвига, – модуль механических потерь, выводятся выражения (3), (4), определяющие связь измеряемых первичных параметров крутильных колебаний образца α, β, ω с искомыми – модулем сдвига и модулем потерь, через расчетные параметры модели Александрова-Лазуркина G₁(α, β, ω), G₂(α, β, ω), η(α, β, ω).

	(3)
	(4)

В рамках данной работы задача точного определения α, β, ω и соответствующее определение стадий затухания и релаксирования (рис. 4, в) не рассматривалась. Поэтому для расчета величин и использованы выражения (5), (6), выведенные на основе более упрощенной модели Кельвина-Фойгта. Соответствующее уравнение затухающих колебаний имеет вид: φ(t) = –Ae^–γtcos(ωt).

,	(5)
,	(6)

где ω_n, γ_n – частота колебаний и коэффициент затухания колебательной
системы с пустой кюветой, соответственно; ω, γ – частота колебаний и коэффициент затухания колебательной системы с кюветой, заполненной образцом.

По факту завершения эксперимента строятся зависимости рассчитанных параметров и от времени полимеризации (рис. 6).




Рис. 6. Зависимость модуля сдвига и модуля потерь от времени полимеризации состава¹


Для исследования механической релаксации в образцах разработан
блок измерения силы и предложена методика автоматизированного проведения эксперимента. Блок измерения силы (рис. 7) монтируется в измерительную установку (рис. 4, а) вместо инерционного диска. Датчик силы представляет собой тензометрический мост, информативная разность потенциалов с которого регистрируется цифровым вольтметром Щ-301 и передается в ЭВМ. Специально разработанная конструкция блока позволяет изучать релаксацию механического напряжения при постоянной деформации и зависимость величины остаточной деформации от времени, при этом эксперимент разбивается на два этапа.


Рис. 7. Блок измерения силы (вид сверху):

1 – образец; 2 – электромагнит; 3 – подвижная штанга; 4 – датчик силы


На первом этапе образец 1 фиксируется электромагнитом 2 в деформированном состоянии путем поворота штанги 3 на заданный угол φ, датчик силы 4 (FSS1500NSB, Honeywell) регистрирует изменение во времени возвращающей силы F, постепенно убывающей вследствие релаксации механического напряжения (рис. 8, а). Возвращающая сила связана с напряжением на контуре образца соотношением , где F – сила, определяемая с помощью датчика на расстоянии d от оси образца радиусом R. Для разработанной измерительной системы K = 1,3·10⁶ (1/м²).

На втором этапе изучается релаксация остаточной деформации образца на текущей стадии полимеризации, в зависимости от времени фиксации t_ф образца в деформированном состоянии (рис. 8, б).




Рис. 8. Релаксационные зависимости механического напряжения (а) при
фиксированной деформации и остаточной деформации (б) при различных t_ф


В заключительной части третьей главы проведен анализ составляющих погрешности определения реологических параметров. Проведенные дополнительные измерения и расчеты показали, что погрешность в значительной степени зависит от абсолютного значения измеряемой величины. По мере полимеризации и отверждения изучаемого состава погрешность изменяется: для G′ от 40 до 10 %, для G″ от 20 до 10 %. В рамках данной работы релаксационные зависимости используются для качественной оценки динамики релаксационных характеристик, оценка погрешности для них не проводилась.

В первом разделе четвертой главы описывается разработка системы измерения акустических параметров, программно-аппаратное обеспечение и режимы работы системы.

Блок-схема разработанной измерительной системы приведена на рис. 9. Изучаемый состав 1 заливается в специальную фторопластовую кювету 2, выполненную в форме усеченного конуса, и помещается между пьезоэлектрическим излучателем 3 и приемником 4. Сигнал генерируется электронным генератором ГСПФ-052, через блок 5 подается на образец. На приемной стороне акустический сигнал трансформируется в электрический преобразователем 4, усиливается в У3-29 и оцифровывается электронным осциллографом B-211. Для контроля температуры изучаемого образца используется термопара 6, монтируемая в средней части кюветы. Разность потенциалов с термопары регистрируется вольтметром В7Э-42 и через контроллер канала общего пользования
СК-КОП передается в ЭВМ.




Рис. 9. Блок-схема системы измерения акустических параметров:

1 – образец; 2 – кювета; 3, 4 – пьезоэлектрические преобразователи; 5 – генератор Г5-63; 6 – термопара


В разработанном для управления экспериментом программном обеспечении реализовано два режима работы измерительной системы: импульсный режим и режим анализатора спектра.

В импульсном режиме генератор Г5-63 (поз. 5 рис. 9) вырабатывает высоковольтный прямоугольный импульс амплитудой 100 В, длительностью 4 мс. Проходя через образец, сигнал претерпевает ряд изменений, связанных с различными эффектами, обусловленными как свойствами изучаемого состава, так и конструкцией ячейки и типом датчиков. Результатом работы системы в импульсном режиме является совокупность оцифрованных зависимостей, получаемых для образца на различных стадиях полимеризации. Из зависимостей такого вида (рис. 10, а) производится расчет физических характеристик: скорости звука С и акустического затухания α: где h – расстояние между излучателем и приемником (толщина образца); t – время прохождения данного расстояния акустическим импульсом (рис. 10, а); t₀ – задержка времени, обусловленная размерами излучателя, приемника и конечной скоростью работы электронных блоков (определяется предварительно экспериментально); А₀ – амплитуда входного импульса; А – амплитуда импульса, прошедшего сквозь образец.




Рис. 10. Осциллограмма записанного акустического сигнала (а), зависимость скорости звука (б) и акустического затухания (в) в образце от времени полимеризации состава


Проведенные оценки показали, что разработанная измерительная система позволяет определять скорость звука с погрешностью не более 1% во всем диапазоне измерения; для акустического затухания ошибка составляет не более 10 %.

В режиме анализатора спектра в место генератора Г5-63 (поз. 5 рис. 9) в измерительную схему включается оригинальный высоковольтный усилитель, позволяющий увеличить амплитуду входного сигнала, математически рассчитанного и сгенерированного электронным генератором. Высоковольтный усилитель разработан на базе операционных усилителей PA-98 и AD-825 (APEX), отличается высоким уровнем выходного сигнала до ±100 В в диапазоне до 600 кГц и способностью работать с пьезоэлектрическими преобразователями в качестве нагрузки.

При работе в режиме анализатора спектра управляющее программное обеспечение вычисляет отношения амплитуд гармонических сигналов на излучателе и приемнике акустических импульсов, т. е. определяет степень ослабления входного сигнала для всего исследуемого частотного диапазона и выполняет построение соответствующей графической зависимости (рис. 11, а).




Рис. 11. Спектральная характеристика образца при t полимеризации 6 ч (а), совокупность спектральных характеристик для t: 0 – 10 ч (б)


Формируемая по факту завершения эксперимента трехмерная поверхность (рис. 11, б) иллюстрирует динамику спектральных составляющих в частотном диапазоне до 600 кГц в течение 10 ч.

Во втором разделе четвертой главы описывается предложенная и программно реализованная методика построения частотно-временных разверток сигналов с использованием математического аппарата непрерывного вейвлет-преобразования (НВП), выполняемого по определению (7):

(7)

где S(t) – исходный сигнал; – масштабированные (по параметру а), сдвинутые во времени (по параметру b) копии порождающего вейвлета. В качестве порождающего вейвлета предложено использовать вейвлет «сомбреро» (на основе второй производной функции Гаусса): . Результатом НВП исходного сигнала S(t) (одномерного массива) является матрица значений коэффициентов С(a, b). Распределение этих значений в пространстве (a, b), а – временной масштаб, b – временная локализация, дает информацию об изменении во времени относительного вклада в сигнале вейвлетных компонент разного масштаба. Разработанный программный модуль НВП может быть подключен к управляющему ПО системы измерения акустических параметров для фонового выполнения вычислений по мере записи новых реализаций сигнала. Дополнительно разработан модуль визуализации результатов НВП (рис.12).


В отличие от стандартного способа представления результатов НВП, когда по оси ординат откладывается абстрактный масштабный параметр вейвлета a, предложен способ перехода от математического масштабного параметра к реальному, физическому – частоте F. Переход основан на подстановке вместо масштабного параметра – основной частоты, выделяемой вейвлетом. Вейвлет-развертка помогает локализовать в анализируемом сигнале разномасштабные периодичности. На рис. 12 яркость цвета пикселя C_a,b характеризует степень корреляции сигнала и вейвлета соответствующего масштаба.




Рис. 12. Модуль визуализации НВП, сигнал и его вейвлет-развертка


В качестве дополнительного инструмента анализа в модуле визуализации введены маркеры, отмечающие на вейвлет-развертке экстремумы по вертикальным сечениям. Маркер означает, что вейвлет именно этого масштаба а коррелирует с сигналом в большей степени, чем вейвлеты других масштабов, а значит, локализует в анализируемом сигнале частоту F. При маркировании шумовая составляющая исключается путем установки порогового значения информативной амплитуды сигнала.

В пятой главе рассматривается измерительная система, разработанная для автоматической регистрации электрических параметров. Предложены схемы сопряжения высокоточного электрометрического вольтметра В7Э-42 и комбинированного цифрового прибора Щ-301 с ЭВМ, разработано ПО для программного доступа к функциям измерительных устройств, управления, считывания результата и статуса работы. Разработанная система позволяет в автоматическом режиме проводить измерения величин тока, напряжения (DC/AC), электрического сопротивления и заряда в широких пределах и с высокой точностью (в соответствии с метрологическими характеристиками приборов). В разработанном ИИК канал измерения электрических параметров используется при изучении акустических свойств для контроля стабильности температуры образца, при изучении релаксации механического напряжения для регистрации информативного параметра с датчика силы.

Метрологические характеристики разработанной системы измерения электрических параметров позволили применить ее для измерения электрического сопротивления полимерных материалов согласно ГОСТ 6433.2-71 по схеме, приведенной на рис. 13, а.




Рис. 13. Схема установки для автоматического измерения объемного электросопротивления (а) и его динамика при полимеризации образца (б)

ИН – источник напряжения; ИПН – измеритель постоянного напряжения; ИПТ – измеритель постоянного тока; 1 – высоковольтный электрод; 2 – образец; 3 – измерительный электрод; 4 – охранный электрод; 5 – измерительная камера


Изучаемый образец в жидком состоянии заливается в кювету, выполненную из фторопласта-4. Высоковольтный 1, измерительный 3 и охранный 4 электроды крепятся в корпусе ячейки, обеспечивая электрический контакт с поверхностью образца. Геометрические размеры и материал электродов выбран в соответствии с требованиями ГОСТ 6433.2-71. С целью снижения влияния электромагнитных и электростатических полей измерительная ячейка помещается в заземленную металлическую измерительную камеру 5.

На рис. 13, б приведен результат работы системы. По мере структурирования образца его электрическое сопротивление меняется в широких пределах от нескольких мегаом до сотен и тысяч гигаом. Погрешность определения удельного электросопротивления составляет от 2 до 6 %, в зависимости от поддиапазона измерения.

Организованные по приведенной схеме измерения могут проводиться под управлением программного обеспечения ИИК в непрерывном режиме одновременно с измерением реологических и акустических параметров.

В приложениях приводятся копии полученных автором патента и свидетельств о регистрации программных продуктов, акты внедрения результатов диссертационной работы, а также описывается система акустического мониторинга состояния строительных конструкций, разработанная на базе аппаратно-программного обеспечения системы измерения акустических параметров.


ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ


Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан способ и методика измерения реологических параметров: модуля сдвига и модуля механических потерь в образцах материалов в различных физических состояниях. На основе разработанного способа создана измерительная система, структурно являющаяся частью информационно-измерительного комплекса.
   
2. Разработан способ и методика изучения релаксации механического напряжения и остаточной деформации в образцах в процессе перехода из жидкого состояния в твердое.
   
3. Разработаны системы для измерения акустических и электрических параметров образцов в широких пределах, в том числе при переходе из одного физического состояния в другое. Данные системы также реализованы в составе информационно-измерительного комплекса для физических измерений.
   
4. В процессе проектирования измерительных систем предложен ряд технических решений по сопряжению информационно-измерительных устройств и приборов с ЭВМ. Разработаны пользовательские и программные интерфейсы для программного доступа к функциям устройств, удаленного управления, контроля состояния и информационного опроса устройств.
   
5. Разработано программное обеспечение информационно-измерительного комплекса, обеспечивающее совместный ход измерительных процессов на всех системах, т.е. одновременное изучение трех групп свойств с возможностью индивидуальной настройки программы измерения для каждой системы.
   
6. С использованием математического аппарата непрерывного вейвлет-преобразования разработана методика расчета, построения и анализа частотно-временных разверток сигналов.
   
7. Разработаны вспомогательные программы – утилиты для визуализации, обработки и анализа первичных данных, получаемых с измерительных систем.
   
8. На базе аппаратного обеспечения и программных модулей измерительного комплекса реализована система акустического мониторинга состояния строительных конструкций и сооружений.
   

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баханцов А. В. Автоматизированный программно-аппаратный комплекс для изучения физических свойств полимеризующихся составов / А. В. Баханцов, В. И. Римлянд, В. Н. Старикова // Автоматизация и современные технологии. – 2007. – № 8. – С. 34-38.
   
2. Баханцов А. В. Информационно-измерительный комплекс для исследования физических свойств материалов / А. В. Баханцов, В. И. Римлянд, В. Н. Старикова // Информатика и системы управления. – 2007. – № 2(14). – С. 100-108.
   
3. Баханцов А. В. Программно-аппаратный комплекс для исследования процесса отверждения полимерных составов в автоматическом режиме / А. В. Баханцов, В. И. Римлянд, В. Н. Старикова, Е. А. Мясников // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – 2007. – №1(4). – С. 9-22.
   
4. Баханцов А. В. Способ измерения механических свойств полимеров в процессе отверждения и устройство для его осуществления : Пат. 2307337 Российская Федерация, МПК G01N11/16 / Баханцов А. В., Старикова В. Н., Римлянд В. И. ; заявитель и патентообладатель Хабар. гос. техн.
   ун-т. – № 2005122389/28 ; заявл. 14.07.05 ; опубл. 27.09.07, Бюл.
   № 27(III ч.). – 1 c.
   
5. Баханцов А. В. Программный комплекс для управления автоматизированной системой измерения физических свойств полимеризующихся составов: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ
   № 2006612650 Российская Федерация / Баханцов А. В., Старикова В. Н., Римлянд В. И. ; заявитель и патентообладатель Тихоокеан. гос. ун-т. – № 2006611773 ; заявл. 30.05.06 ; опубл. 20.12.06, Бюл. № 4(57). – 1 c.
   
6. Баханцов А. В. Программный комплекс системы акустического мониторинга состояния строительных конструкций: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007614006 Российская Федерация / Баханцов А. В., Римлянд В. И., Калинов Г. А., Мигунов Д. С. ; заявитель и патентообладатель Тихоокеан. гос. ун-т. – № 2007613020 ; заявл. 20.07.07 ; опубл. 20.12.07, Бюл. № 4(61) (II ч.). – 1 c.
   
7. Bakhantsov A. V. Dynamics of acousto-rheological properties of polymerized materials on their solidification / A. V. Bakhantsov, V. I. Rimlyand, V. N. Starikova // Rare metals, Volume 26, Spec. Issue, August 2007. – P. 1-4.
   
8. Bakhantsov A. V. The application of the acoustic emission for nondestructive testing and monitoring the state of building structures / A. V. Bakhantsov, G. A. Kalinov, N. E. Medvedev, V. I. Rimlyand // Modern Materials and Technologies 2007: Materials of international VIII Russian-China Symposium: two volumes. – Khabarovsk: Pacific National University, 2007. – vol. 2. –
   P. 206-210.
   
9. Bakhantsov A. V. Sensors and algorithms of signal processing for automated systems to measure rehological and acoustical features / Alexander V. Bakhantsov, Vladimir I. Rimlyand, Vera N. Strarikova // The proceedings of The KOREA-RUSSIA Joint-WorkShop 2006 on Signal Transmission, Processing, Sensor and Monitoring Systems. – Korea: Obprint Ltd., 2006. – P. 162-165.
   
10. Баханцов А. В. Исследование динамики акустических и реологических свойств при фазовом переходе жидкость – твердое тело / А. В. Баханцов, В. Н. Старикова, В. И. Римлянд // Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геологическая акустика : Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. – М.: ГЕОС, 2005. – Т.1. – С. 50-54.
    
11. Баханцов А. В. Автоматизированный комплекс для изучения акустических и реологических свойств полимеризующихся составов / А. В. Баханцов, В. И. Римлянд, А. В. Казарбин // Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование : Материалы докладов пятой региональной научной конференции. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2005. – С. 68-69.