Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Зайчиков Максим Александрович

Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества
<
Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Зайчиков Максим Александрович. Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.18, 05.13.01 / Зайчиков Максим Александрович; [Место защиты: Воронеж. гос. технол. акад.].- Воронеж, 2008.- 192 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1179

Содержание к диссертации

Введение

1. Литературный обзор 9

1.1. Классификация показателей качества полимеров 9

1.1.1. Структурно-молекулярные свойства 9

1.1.2. Агрегатные и фазовые состояния полимеров 11

1.1.3. Механические методы испытания полимеров 15

1.1.4. Технические свойства полимеров 17

1.1.5. Пластоэластические свойства 19

1.1.6. Вязкость по Муни 22

1.1.7. Твердость по Шору 23

1.1.8. Прочностные свойства 24

1.1.9. Методы моделирования прочностных свойств полимеров 28

1.2. Вязкоупругие (релаксационные) свойства полимеров 30

1.2.1. Механические модели линейного вязкоупругого тела 32

1.2.2. Принцип температурно-временной эквивалентности 34

1.2.3. Тангенс угла механических потерь. Релаксационные переходы 35

1.2.4. Теоретические предпосылки использования динамических механических методов исследования. Волновое уравнение 41

1.2.5. Подходы к моделированию тангенса угла механических потерь 45

1.3. Ультразвуковой метод исследования реологических свойств

полимеров 48

1.3.1. Применение ультразвука для контроля качества материалов 50

1.4. Классификация основных подходов к моделированию показателей качества полимеров 52

1.5. Обзор подходов к моделированию статистических характеристик 56

1.6. Обоснование использования системного подхода к моделированию ультразвуковых систем контроля показателей качества полимеров 59

1.7. Выводы и направления исследования 61

2. Системный анализ процесса моделирования ультразвуковой измерительной системы показателей качества полимеров 62

2.1. Цели и задачи системного анализа УЗ систем контроля 62

2.2. Макропроектирование '. 64

2.3. Микропроектирование УЗ системы контроля показателей качества как информационно-измерительной системы 67

2.4. Алгоритм функционирования предложенной системы 75

2.5. Формирование структур и параметров математических моделей в ультразвукового контроля качества 77

2.5.1. Теоретическое обоснование УЗ контроля твердости по Шору резины 81

2.5.2. Теоретическое обоснование УЗ метода контроля вязкости по Муни 81

2.5.3. Теоретическое обоснование УЗ метода контроля предела прочности при разрыве 83

2.5.4. Синтез структур математических моделей ультразвукового контроля предела прочности при разрыве и вязкости по Муни 84

2.5.5. Одновременная оценка нескольких показателей качества 86

2.6. Определение показателя качества по температурным и частотным распределениям тангенса угла механических потерь 91

2.7. Выводы 92

3. Экспериментальная проверка математических моделей акустического контроля показателей качества полимеров 94

3.1. Экспериментальная проверка математической модели ультразвукового контроля твердости по Шору А резин 94

3.2. Экспериментальная проверка математических моделей УЗ контроля вязкости по Муни и предела прочности при разрыве полимеров 95

3.3. Методика моделирования тангенса угла механических потерь в полимерах ; 100

3.3.1. Применение семейств универсальных распределений Пирсона для описания зависимостей tgS(co,T) 101

3.3.2. Структурно-параметрический синтез модели тангенса угла механических потерь для вязкоупругого тела с тремя релаксационными механизмами 107

3.3.3. Анализ предложенной модели '. 110

3.3.4. Сравненительный анализ методов моделирования тангенса угла механических потерь 113

3.3.5. Экспериментальная проверка метода моделирования tgS(T) 119

3.4. Выводы 127

4. Описание методики ультразвукового контроля показателей качества полимеров 128

4.1. План эксперимента 128

4.2. Описание экспериментальной установки акустического контроля показателей качества полимеров 130

4.3. Обработка результатов измерения 132

4.4. Алгоритм работы программы идентификации 139

4.5. Оценка погрешностей методов контроля 140

Выводы 142

Список использованной литературы

Введение к работе

Актуальность. В настоящее время для оценки качества полимеров существует совокупность физико-химических методов для определения основных показателей качества (вязкости по Муни, предела прочности при разрыве, твердости по Шору, температур релаксационных и фазовых переходов, времени релаксации). Каждый метод позволяет получить информацию об одном показателе качества.

Недостатками существующих методов контроля является необходимость осуществления независимых измерений совокупности показателей качества с целью внесения управляющих воздействий, что приводит к потере оперативности получения информации и осуществления отбора большого количества проб. В связи с этим необходим поиск новых интегративных подходов, позволяющих оперативно оценивать комплекс показателей качества в условиях промышленного производства.

Опыт применения ультразвуковых (УЗ) методов контроля в технических-... и технологических системах показал их эффективность и возможность оперативного получения необходимого количества информации по измеренным акустическим свойствам исследуемого образца в рабочем диапазоне частот воздействия и температур. Основной задачей при разработке УЗ методов оперативного контроля спектра показателей качества полимеров является выделение необходимого множества параметров и структур зависимостей, позволяющих синтезировать математические модели качества полимеров как функции акустических свойств и с помощью УЗ измерений получать оперативную и точную информацию о качестве.

В данном направлении сделан соответствующий задел в теоретическом и прикладном плане в работах Дж. Ферри, А. А. Тагер, И. Г. Михайлова, Ю. П. Сырникова, С. Я. Френкеля, Г. В. Виноградова, Г. М. Бартенева, А. Я. Малкина, И. И. Перепечко.

Взаимосвязь показателей качества полимеров с акустическими свойствами представляет собой сложную систему, анализ которой позволяет осуществить декомпозицию, выделить основные системные закономерности и построить математические модели показателей качества как функции акустических свойств.

В связи с этим тема работы является актуальной. Исследование было выполнено в рамках госбюджетной НИР «Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами» (№ г.р. 01960007315).

Цель работы: системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества.

Для достижения указанной цели поставлены задачи:

  1. На основе системного анализа ультразвуковых методов контроля определить необходимое множество физико-химических параметров, характеризующих однозначно показатели качества полимеров.

  2. Идентификация акустических свойств полимеров в рабочих диапазонах частот и температур для формирования исходных данных при синтезе математических моделей качества полимеров.

  3. Разработка комплекса математических моделей, методов УЗ контроля показателей качества, проведение вычислительного и пилотного экспериментов и их сравнительный анализ.

  4. Разработка инженерной методики и программного обеспечения для оценки и прогнозирования показателей качества полимеров.

Научная новизна работы: 1. На базе системного анализа получен алгоритм структурно-параметрического синтеза и идентификации математических моделей, позволивших связать показатели качества полимеров с измеряемыми акустическими свойствами.

  1. Разработан метод УЗ контроля спектра показателей качества полимеров, отличающийся от известных получением новой информации посредством УЗ воздействия в рабочем диапазоне частот и температур в исследуемых образцах.

  2. Синтезированы математические модели вязкости по Муни, предела прочности при разрыве и твердости по Шору полимеров, отличительной особенностью которых является связь акустических характеристик полимера с показателями качества; осуществлен оптимальный выбор частоты и температуры проведения измерений на примере оценки вязкости по Муни и предела прочности при разрыве, позволивший повысить точность измерений.

  3. Разработана методика моделирования температурной и частотной зависимости тангенса угла механических потерь с использованием взвешенных сумм решений дифференциального уравнения Пирсона. Предложена математическая модель температурной и частотной зависимости тангенса угла механических потерь, позволившая повысить точность расчетов и связать параметры модели с показателями качества (температурами релаксационных, фазовых переходов и временем релаксации).

Практическая значимость работы состоит в определении комплекса показателей качества полимеров акустическим методом и повышении точности расчета температурных и частотных спектров тангенса угла механических потерь, а также определение по ним ряда характеристик полимера (температур релаксационных и фазовых переходов, времени релаксации).

Математические модели, методы контроля, алгоритмическое и программное обеспечение для определения вязкости по Муни, предела прочности при разрыве и твердости по Шору полимеров по данным акустических измерений апробированы на ООО «Совтех» (г. Воронеж).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на международной конференции «Математические методы в технике и технологиях-19» (2005 г.), отраслевой конференции «Метрология и автоматизация в нефтехимической и пищевой промышленности» (2006 г.) и отчетных

конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников ВГТА за 2005 - 2007 гг.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 9 работах, из них 4 статьи в журналах реферируемых ВАК РФ, 2 патента РФ, зарегистрировано программное средство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

В первой главе проведен анализ существующих средств определения показателей качества полимеров, дана классификация показателей качества каучуков и резин на их основе. Обосновано использование УЗ метода контроля показателей качества полимеров.

Во второй главе предложен алгоритм структурно-параметрического синтеза модели, устанавливающий связь измеряемых акустических характеристик с показателями качества. Проведен структурный синтез математических моделей акустического контроля вязкости по Муни, предела прочности при разрыве и твердости по Шору полимеров.

В третьей главе проведена параметрическая идентификация предложенных математических моделей УЗ контроля показателей качества, проведен оптимальный выбор частоты и температуры проведения измерений, позволивший повысить точность акустических измерений. Предложен метод моделирования температурных и частотных зависимостей тангенса угла механических потерь с использованием взвешенных сумм решений дифференциального уравнения Пирсона, позволивший связать температуры релаксационных и фазовых переходов и время релаксации с параметрами математической модели.

В четвертой главе предложены методы УЗ контроля показателей качества полимеров и произведена оценка их точности.

Материал изложен на 142 страницах, содержит 45 рисунков и 16 таблиц. Список литературы из 92 источников.

Агрегатные и фазовые состояния полимеров

Для высокомолекулярных веществ различают агрегатное и фазовое состояния. Вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, которые различают по плотности упаковки и подвиж ности молекул [4, 62, 89]. Полимеры в газообразном состоянии не существуют, однако, в сильно разбавленных растворах, полимер можно рассматривать как находящийся в газообразном состоянии [4].

С точки зрения структуры фазовые состояния полимеров различаются порядком во взаимном расположении молекул (ближним и дальним порядок) [4, 62, 89].

Дальним порядком называется порядок, соблюдающийся на расстояниях, превышающих размеры молекул в сотни раз, причем порядок может существовать в одном, двух или трех измерениях. Например, кристаллы представляют собой структуры с дальним порядком в трех измерениях.

Ближним порядком называется порядок, соблюдающийся на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов или молекул. Т.е. вблизи данной молекулы соседние могут быть расположены в определенном порядке, но на большом расстоянии этот порядок уже не соблюдается.

Понятия ближнего и дальнего порядка определяются соотношением между расстоянием, на которое распространяется этот порядок, и размерами элементов, укладывающихся в порядок. В полимере существует два типа структурных элементов: звенья и цепи. Поэтому при рассмотрении ближнего и дальнего порядка указывают, по отношению к какому из этих элементов создается упорядоченное состояние.

В зависимости от порядка расположения молекул у полимеров различают: 1. кристаллическое фазовое состояние - характеризуется наличием трехмерного дальнего порядка в расположении атомов или молекул. 2. жидкое (аморфное) фазовое состояние — характеризуется ближним порядком в расположении молекул и отсутствием кристаллической решетки.

Твердому агрегатному состоянию могут соответствовать два фазовых состояния: кристаллическое и аморфное (стеклообразное). Т.е. стеклообразные и кристаллические тела в твердом агрегатном состоянии не различаются по подвижности и плотности упаковки молекул. В свою очередь, жидкому фазовому состоянию присущи два агрегатных состояния: твердое (стеклообразное) и жидкое (выше температуры плавления).

В настоящее время у полимеров выделяют жидкокристаллическое фазовое состояние [4, 82], характеризующееся наличием ориентационного порядка в расположении макромолекул и анизотропии физических свойств при отсутствии внешних воздействий.

Считается, что ряд физических свойств полимеров определяется способностью макромолекулы полимера к изменению взаимного расположения в пространстве ее звеньев [4, 48, 62, 89]. В данном случае пользуются понятиями конфигурации и конформации молекулы [62].

Под действием внешних сил происходит изменение пространственного расположения звеньев цепи макромолекулы полимера. Если такое изменение сопровождается разрывом химических связей в макромолекуле, то говорят, что молекула имеет разные конфигурации. Конфигурацией называется строго определенный порядок расположения атомов молекуле.

Если изменение положения звеньев цепи полимера не сопровождается разрывом химических связей, то такое изменение называется конформацией. Конформацией называют взаимное расположение в пространстве звеньев макромолекулы.

Способность молекулярной цепи к изменению конформации определяется гибкостью полимерной цепи. Гибкость молекулы полимера - способность полимерных цепей изменять свою конформацию в результате внутримолекулярного теплового движения звеньев цепи (термодинамическая гибкость), или под действием внешних сил (кинетическая/механическая гибкость) [88].

Гибкость характеризуется количеством энергии, которую необходимо затратить для изменения конформации цепи. На гибкость цепи оказывают влияние величина потенциального барьера вращения, молекулярный вес, размер заместителей, частота пространственной сетки, температура и т.д. [62]

Микропроектирование УЗ системы контроля показателей качества как информационно-измерительной системы

Из проведенного анализа видно, что вязкоупругие характеристики, измеренные при различных условиях для полимеров разного молекулярного веса и полимерных систем разного состава, дают важную информацию о структуре и структурных превращениях. В частности, информация, полученная при исследовании полимеров такими методами, позволяет определить особенности строения, состава и поведение эластомера при переработке в широком интервале температур и скоростей сдвига.

Очевидно, что полная характеристика материала получается на основании измерений, проведенных в широких пределах температур и скоростей деформации. При этом возможны следующие подходы к определению темпера-турно-частотных зависимостей реологических свойств (с учетом принципа температурно-временной эквивалентности) [84]: 1. проведение измерений при переменной температуре и фиксированной частоте нагружения; 2. проведение измерений при фиксированной температуре и переменной частоте нагружения; 3. проведение измерений при одновременном изменении температуры и частоты.

Последний подход, реализуемый с использованием динамических механических методов, является наиболее рациональным, т.к. позволяет получать более полную информацию о свойствах и поведении эластомера в широком интервале температур и частот измерения.

Сущность динамических механических методов исследования заключается в регистрации отклика полимера на внешнее периодическое (наиболее распространено синусоидальное) воздействие. Переходы в полимерах в этом случае фиксируются по максимумам или перегибам на температурных или частотных зависимостях механических потерь и модулей.

Использование таких зависимостей для моделирования влияния температуры на вид частотной зависимости требует определения нескольких значений Еі для каждого релаксационного механизма и оправдано в эффективной области действия одного релаксационного механизма. Однако в широком диапазоне изменения температур согласно принципу температурно-временной суперпозиции [4, 73] следует ожи дать изменение параметров зависимости (2) более сложным образом. Это видно на примере сравнения времен релаксации и расчётной кривой с использованием уравнения Больцмана-Аррениуса, представленной в [4] (рис. 1.6).

Т.о. использование в расчетах функций непрерывного спектра осложнено ввиду следующих причин: 1. Для получения аналитической зависимости Н(г} требуется либо знание аналитического вида функцийЕ (со),Е"(со), что сложно осуществить на практике [4]. 2. Использование приближенных методик получения функции Н(т) подразу мевает допущения о предельном стремлении функции ;— в уравнении 1 + со тг (1.13) к дельта-функции, т.е. фактически к дискретному спектру времен релаксации и описывают вид Я (г) как характерное изменение модуля потерь с частотой и отождествляют с функцией У (& ) \_ [4].

В дискретном виде Ё для полимеров и их композитов описывается совокупностью механических моделей, моделирующих вязкоупругое поведение полимера при определенной частоте (1.12).

Использование дискретного спектра также имеет ряд недостатков:

1. Используется только значения некоторого среднего или определяющего времени релаксации, которым заменяется реальный непрерывный спектр времен релаксации.

2. Позволяет описать зависимости tgd только при временах релаксации, далеко отстоящих друг от друга, т.к. при мало различимых значениях г спектры сливаются.

3. Определяемые параметры Еі,т]і,ті для каждого релаксационного механизма редко используются на практике для характеристики свойств полимеров.

4. Получаемый вид функций tgS(u),T) имеет одну и ту же форму, определяе мую параметрамиEv?7і,ті, и не описывает все многообразие возможных форм функций tgS(a ,T), например асимметрию и эксцесс:

В обоих случаях введение температурной зависимости в виде уравнений Больцмана-Аррениуса или Вильяма-Ланделла-Ферри позволяет ввести температурную зависимость только около точки релаксационного перехода и не отображает экстремальных характеристик кривой tgS(a),T).

Методика моделирования тангенса угла механических потерь в полимерах

Наряду с оценкой вязкоупругих характеристик, практический интерес представляет моделирование температурных и частотных зависимостей релаксационных свойств эластомеров [4, 35, 73, 84]. На практике часто рассматривают температурные и частотные зависимости компонентов комплексного модуля упругости Е , Е" и тангенса угла механических потерь tgS.

Широко используемой в шинной промышленности и промышленности РТИ является зависимость tg8. Тангенс угла потерь является безразмерным параметром, не определяющим какой-либо физической величины, а служащим мерой отношения рассеиваемой энергии к запасенной энергии при периодических деформациях. Определение tgS осуществляют по формуле (1.18).

Как уже было отмечено в главе 1, для полимеров зависимость tg8 выявляет важнейшие параметры релаксационных процессов в полимере в виде максимумов на кривых частотных и температурных зависимостей tg8(a),T), в ко торых определяющим является тот или иной релаксационный механизм в тем-пературно-частотной области. Каждый релаксационный механизм отражает определенный характер кинетического движения молекулярных и надмолекулярных образований. Это выражается в величине и расположениях экстремумов tgS по осям частот и температур.

Тангенс угла потерь определяет такие макроскопические физические показатели, как затухание свободных колебаний, затухание распространяющихся волн и ширину резонансной кривой [73].

В ряде работ [73, 84] отмечается, что tgS(u),T) представляет значительный практический интерес, является наиболее информативной характеристикой и более удобной для измерения по сравнению с другими вязкоупругими функциями. Однако он меньше, чем другие функции, поддается теоретической интерпретации [73].

В качестве основных особенностей tg5(co,T), отличающей его от других вязкоупругих функций можно выделить следующие: 1. Относительные единицы измерения; 2. Простота определения по акустическим измерениям а и с; 3. В зависимость tgd{a ,T) не входит толщина образца и плотность полимера.

Для повышения точности аппроксимации экспериментальных данных и повышения удобства использования моделей вязкоупругих свойств полимеров на практике предлагается вероятностный подход моделирования функции tgS(o),T), который основывается на следующих предположениях [10, 42].

По определению [4] т, есть вероятность перехода z-го структона в равновесное состояние через потенциальный барьеру. Функция Н(т) в модели (1.13) является функцией плотности вероятности случайной величины Tj и на зывается плотностью спектра времен релаксации. По сути Н{т)с1т выражает распределение концентраций структонов в общем объеме по их временам релаксации, выражающихся в соответствии с [41] в вязких потерях структонов с временами релаксации лежащими в диапазоне от т до dr. Этому времени релаксации соответствует температурная и частотная зависимость компонентов комплексного модуля в соответствии с принципом температурно-временной эквивалентности. Это обусловливает аналогичное распределение по температурам и частотам. Максимумы функции Н(т) будут соответствовать максимумам концентраций структонов с временем релаксации г., и, следовательно, максимуму потерь, вызванному этими структонами при внешнем возмущении соответствующей частоты или при определенной температуре. Причем точки экстремума удовлетворяют условию сотл = 1.

Т.к. функция tgS(co,T) так же отражает распределение механических потерь в объеме полимера, обусловленных всеми структонами, характеризующимися распределениемН(т), можно описать эту как функцию как плотность спектра температур или частот, выражающуюся в механических потерях, которые оцениваются величиной tgS.

В соответствии с проведенным литературным обзором, для описания функций tgS(a ,T) предпочтительнее использование аппроксимации с использованием сумм распределений Пирсона. В этом случае обеспечивается высокая точность описания экспериментальных данных при различных видах функции распределения, возможность задания релаксационных процессов с близкими временами релаксации, получение расчётных зависимостей с параметрами, отражающими характеристики кривой tgS(a ,T), которые часто используются технологами.

Описание экспериментальной установки акустического контроля показателей качества полимеров

Для реализации УЗ метода контроля была разработана экспериментальная установка, реализующая ультразвуковой метод экспресс-анализа показателей качества полимеров при различных условиях измерения (температуре и частоте). Перед проведением акустических измерений образцов каучука выполняется прессование с использованием с использованием штатива (рис. 4.3). Для этого образцы каучука помещают в цилиндрические кольца, внутренний диаметр которых d=30 мм и высота /г=6 мм (или 10 мм). Прессование выполняется для придания образцам одинаковой толщины и удаления пузырьков воздуха (т.к. существенно влияет на затухание УЗ [14, 48]). Для удаления лишнего каучука в боковых поверхностях колец были просверлены отверстия. Прессование выполнялось в течение 3 часов под грузом 50 кг.

Диаметр колец был выбран больше, чем диаметр контактной поверхности преобразователей (dn=20 мм) с целью устранения эффектов отражения импульсов от стенок образца. Толщина колец выбрана для обеспечения условия h 5Л, где Л - длина волны [51]. В этом случае волны можно считать плоскими.

Акустическое исследование резин проводилось на образцах цилиндрической формы диаметром 30 мм и толщиной около 6 мм. Форма придавалась при вулканизации.

Преобразователи закрепляли в струбцине или в штативе (рис. 4.4). Для обеспечения лучшего акустического контакта преобразователей и образца полимера используется груз 500 г.

Для обеспечения возможности проведения исследований при различных частотах измерения использовались несколько пар преобразователей марки П-111с частотами 0,6 МГц, 0,8 МГц, 1,25 МГц и 2,5 МГц.

Для обеспечения возможности проведения измерений при различных температурах применялось термостатирование. Штатив 6, пьезо-преобразователи 3,4 и образец 5 помещали в камеру конвекционного термостата с электрическим нагревательным элементом. Контроль температуры образца в камере тер мостата осуществляли с помощью термопары для контроля температуры резин, в качестве вторичного прибора использовался «ОВЕН 2ТРМ1». Скорость остывания выбиралась равной 4 К/мин.

Измерение свойств осуществляют следующим образом. Исследуемый образец 3 помещают между излучателем 2 и приемником 4. С генератора 1 электрический сигнал определенной амплитуды и длительности подается на излучатель 3, ультразвуковой импульс с которого, пройдя образец 5, попадает в приемник 4 и преобразуется в электрический сигнал с амплитудой, зависящей от свойств образца. Электрические сигналы с генератора 1 и приемника 4 фиксируются цифровым двухканальным осциллографом 5 и передаются на ЭВМ 8 для последующей обработки. Штангенциркулем измеряется расстояние h между поверхностями излучателя и приемника, равное толщине образца.

На ЭВМ осуществляется обработка осциллограмм и рассчитываются амплитуда сигнала на приемнике и время прохождения импульса.

Далее определяют величину скорости {с, м/с) и коэффициента затухания ультразвука (а, м"1) по формулам [48]: с - _h а _ 1 h .in 4-" и (4.1) "Р (4.2) где И - расстояние между поверхностями излучателя и приемника, м; t — время прохождения импульса, с; Д - амплитуда сигнала, подаваемого на излучатель; Апр - амплитуда сигнала на приемнике, В.

Величины скорости ультразвука в полимере и коэффициента затухания используют в математических моделях расчета вязкоупругих характеристик показателей образцов полимеров по формулам, приведенным в главе 1.

Для обработки экспериментальных данных ультразвуковых характеристик полимеров применялись следующие программные средства: «WinDSO» для получения осциллограмм (поставляется с осциллографом); обработка осциллограмм и расчет амплитуд и времени прохождения импульсов с использованием «DSOAnalize», расчет ультразвуковых характеристик образцов полимера с использованием документов среды «MathCAD».

Обработанные данные сохраняли в текстовом файле в формате: «Температура образца; частота на канале генератора, частота на канале приемника, время прохождения импульса, средняя амплитуда канала генератора, средняя амплитуда канала приемника, амплитуда пика 0 на канале генератора, амплитуда пика 1 на канале генератора». При анализе использовалось 5-7 первых пиков.

Результатом работы «WinDSO» является текстовый файл, содержащий данные об используемом масштабе (по оси времени и амплитуды) и количестве каналов в первых 10 строках (включая пробельные).

Анализ данных основывается на системе логических выводов, с использованием которой определяются координаты точек экстремумов на каналах излучателя и приемника.

Общий алгоритм расчета амплитуд сигналов и времени прохождения импульса включает следующие стадии: 1. Преобразование содержимого текстового файла с осциллограммой в вектора целых чисел. 2. Фильтрации полученных данных. 3. Поиск координат точек экстремумов на канале излучателя. 4. Поиск координат точек экстремумов на канале приемника. 5. Расчет амплитуд импульсов и времени прохождения сигнала. «TIME STEP:» - указание масштаба по оси времени в формате «количество точек (NTda) = время в секундах (rdCL1)», соответствующее настройкам при получении осциллограммы. NTdai соответствует количеству точек по горизонтали в одной клетке

Похожие диссертации на Системный анализ и моделирование физико-химических характеристик полимеров в условиях ультразвукового контроля их качества