Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ состояния вопроса и выбор направления исследования 12
1.1. Основные методы исследования кинетики отверждения материалов 12
1.2. Использование микрорадиоволн для контроля отверждения материалов. Постановка задачи 35
Выводы к главе 1 38
Глава 2. Исследование математической модели взаимодействия электромагнитной волны с контролируемым объектом 40
2.1. Связь комплексного коэффициента отражения с диэлектрическими характеристиками отражающей среды 40
2.2. Составление обобщённой математической модели взаимодействия электромагнитной волны с контролируемой средой 43
2.2.1. Отражение электромагнитной волны от слоя диэлектрика "бесконечной" толщины 46
2.2.2. Отражение электромагнитной волны от слоя диэлектрика, расположенного на отражающем основании 47
2.2.3. Отражение электромагнитной волны от слоя диэлектрика, ограниченного с обеих сторон свободным пространством 53
2.2.4. Отражение электромагнитной волны от двухслойной диэлектрической конструкции, огра
ниченной с обеих сторон свободным пространством 57
2.3. Анализ результатов исследования математической модели 60
Выводы к главе 2 74
Глава 3. Сравнительный теоретический анализ измерительных устройств для радиоволнового амплитудного контроля кинетики отверждения материалов в изделиях. Оценка точности измерений 76
3.1. Общая схема измерительного устройства 76
3.2. Теоретическая оценка характеристики преобразования узла датчика 77
3.3. Теоретическая оценка характеристик преобразования узлов преобразователей на базе двойного волноводного моста и направленного ответвителя 65
3.4. Теоретическая оценка характеристики преобразования узла преобразователя, состоящего из двух направленных ответвителей 97
3.5. Сравнительный теоретический анализ узлов преобразователей 105
3.6. Теоретическая оценка характеристики преобразования измерительного устройства 109
3.7. Оценка чувствительности метода, и точности измерений 112
3.8. Источники погрешностей и их влияние на результаты контроля 117
Выводы к главе 3 137
Глава 4. Экспериментальные исследования и разработка радиоволновых амплитудных методов контроля кинетики отверждения материалов и изделий 139
4.1. Измерительное устройство. Принцип действия 139
4.2. Экспериментальная проверка результатов теоретического анализа взаимодействия электромагнитной
волны с контролируемым объектом 149
4.3. Разработка методики контроля кинетики отверждения материалов одним потоком электромагнитных колебаний с фиксированной длиной волны 156
4.4. Разработка методики контроля процессов отверждения двумя потоками электромагнитных колебаний с различными длинами волн 165
4.5. Разработка методики контроля кинетики отверждения материалов и изделий методом переменнойчастоты 171
Выводы к главе 4 175
Глава 5. Техническая и экономическая эффективность и практическое применение результатов исследований 177
5.1. Практическое использование разработанных методов для контроля кинетики отверждения материалов и изделий 177
5.2. Радиоволновой измеритель влажности осадков сточных вод ИЕР-8У 181
5.3. Повышение технической эффективности радиоволнового амплитудного контроля кинетики отверждения за счёт использования средств вычислительной техники 186
Выводы к главе 5 192
Основные результаты работы 194
Заключение 197
Литература 199
Приложение 211
- Основные методы исследования кинетики отверждения материалов
- Связь комплексного коэффициента отражения с диэлектрическими характеристиками отражающей среды
- Общая схема измерительного устройства
- Измерительное устройство. Принцип действия
- Практическое использование разработанных методов для контроля кинетики отверждения материалов и изделий
Основные методы исследования кинетики отверждения материалов
Существующие методы исследования и контроля процессов отверждения можно разделить на две основные группы: прямые методы, в которых непосредственно определяется степень завершенности химического превращения, определяющего процесс отверждения, и косвенные методы, предполагающие оценку степени завершенности химического превращения по изменению физических параметров состояния материала.
Наиболее распространенные методы прямого контроля отверждения состоят в остановке реакции и последующем исследовании материала, получившегося за отрезок времени от начала реакции до момента её остановки. Так для контроля и исследования процессов полимеризации широко применяется метод, заключающийся в экстрагировании связующего, ещё не связанного с полимерной сеткой, и последующей оценке степени отверждения по количеству оставшейся растворимой фракции в сетчатом полимере. Такая методика позволяет достаточно точно определять момент образования первичной сетки (точку гелеобразования) и прослеживать кинетику отверждения на последующих стадиях процесса /I - 4/.
Связь комплексного коэффициента отражения с диэлектрическими характеристиками отражающей среды
Для решения задачи исследования отражения электромагнитной волны от слоя материала с изменяющимися диэлектрическими характеристиками предварительно была рассмотрена математическая модель взаимодействия электромагнитной волны с контролируемым объектом, позволяющая исследовать зависимость величины коэффициента отражения от диэлектрических и геометрических параметров контролируемого слоя в широком диапазоне их значений. Основные расчётные зависимости, описывающие эффекты взаимодействия электромагнитной волны с объектом, были представлены в виде, удобном для раздельной оценки зависимостей модуля коэффициента отражения и его фазы от параметров контролируемой среды. При этом были приняты следующие допущения:
- падающая электромагнитная волна является плоскополяризо-ванной;
- плоскости границ разделов сред перпендикулярны направлению распространения падающей волны;
- контролируемая среда гомогенна и изотропна;
- диэлектрические константы воздуха равны диэлектрическим константам свободного пространства;
- при рассмотрении отражения волны от слоя, расположенного на отражающем основании, модуль коэффициента отражения от основания равен I, а его фазовый угол равен SI - возникающие на границах разделов сред высшие типы колебаний не оказывают влияния на параметры основной волны;
- контролируемая среда немагнитна.
Значение комплексного коэффициента отражения электромагнитной волны от плоской диэлектрической конструкции определяется величинами коэффициентов отражения волны от границ разделов сред и условиями её дальнейшего распространения в контактирующих средах. Величина коэффициента отражения от границы раздела сред за-висит от соотношения их волновых сопротивлений %с и для случая распространения волны из среды і в среду i+і может быть определена по следующей формуле / 97, с.87 /:
Общая схема измерительного устройства
Проведенный в предыдущей главе теоретический анализ взаимодействия плоскополяризованной электромагнитной волны со слоем диэлектрика показывает, что информация о кинетике изменения диэлектрических свойств материала может быть получена путем регистрации кинетики изменения модуля коэффициента отражения электромагнитной волны от объекта. При этом основным выигрышем по сравнению с фазовыми методами измерений следует считать существенное упрощение измерительной аппаратуры и методики проведения контроля.
Использование амплитудного метода измерений позволило разработать ряд простых устройств для исследования кинетики изменения диэлектрических свойств материалов, которые были применены для контроля процессов отверждения. Разработка устройств велась в направлении максимального использования широко распространенных стандартных элементов СВЧ тракта.
В настоящей главе проводится сравнительный теоретический анализ некоторых измерительных устройств, которые могут быть ис Щ пользованыу радиоволнового амплитудного контроля кинетики отверждения материалов. На основании проведенного анализа выбирается оптимальное схемное решение, определяется чувствительность измерительного устройства и точность контроля.
Основные расчетные зависимости, используемые при теоретическом анализе измерительных устройств, получены с помощью метода ориентированных графов. При этом значения параметров элементов СВЧ тракта соответствуют реально измеренным величинам.
В наиболее общем виде функциональная схема измерительного устройства представлена на рис. 3.1. Объектом контроля в данном случае является изделие или образец отверждаемого материала. При бесконтактном контроле объект располагается на некотором расстоянии от датчика 2, который представляет собой приемоизлучающий узел устройства. При лабораторных испытаниях материалов последние могут размещаться непосредственно в волноводе, гогда датчик представляет собой отрезок регулярного волновода, заполняемый исследуемым материалом, который оканчивается или короткозамыка-телем, или согласованной поглощающей нагрузкой.
Измерительное устройство. Принцип действия
Вопросы методического и аппаратурного обеспечения измерений коэффициентов отражения в диапазоне сверхвысоких частот достаточно полно освещены в целом ряде литературных источников / 102, 104, 106, 109 /. Поэтому в работе не ставилась задача разработки принципиально новых схем измерений модуля коэффициента отражения. Основной принцип, который был положен в основу при разработке и создании измерительных устройств, заключался в максимально возможном использовании стандартной, широко распространённой и выпускаемой отечественной промышленностью аппаратуры и элементов СВЧ тракта.
Проведённый в главе 3 теоретический анализ предельных погрешностей различных измерителей модуля коэффициента отражения позволил выбрать устройство, обеспечивающее минимальную погреш-ность измерения в широком диапазоне значений // /,и определить необходимую степень согласования элементов СШ тракта. Цель настоящего раздела состоит в кратком описании основных схем измерителей, использованных в работе, изложении разработанных методик и результатов контроля отверждения материалов и изделий ради оволновым амплитудным методом.
Базовая схема использованных в работе измерительных устройств приведена на рис. 4.1. Основным элементом схемы является узел преобразователя I, назначение которого состоит в разделении падающей и отражённой волн и ответвлении отражённой волны на детекторное устройство. Зта цель достигается путём использования в схеме двойного волноводного моста.
Практическое использование разработанных методов для контроля кинетики отверждения материалов и изделий
Метод контроля отверждения материалов с помощью одного потока электромагнитных колебаний был опробован и внедрён для контроля отверждения стеклопластиковых конструкций на основе эпоксидного связующего ЭДТ-ЮП и стеклонити ВМС, изготовляемых методом намотки на полимерно-песчаную оправку.
Разработанная методика контроля предусматривает два возможных случая расположения контролируемого слоя - непосредственно на оправке и на отражающем основании. В первом случае оптимальные условия контроля определялись с помощью математической модели (см. 2.2.4.), описывающей взаимодействие электромагнитной волны с двухслойной диэлектрической конструкцией. При выборе оптимальных условий СВЧ амплитудного контроля кинетики отверждения слоя указанного материала, расположенного на отражающем основании, использовались результаты, полученные в 2.2.2. Методика контроля предполагает в данном случае предварительное фольгиро-вание наружной поверхности оправки на контролируемом участке перед намоткой стекловолокна, пропитанного связующим.
Контроль отверждения проводился при последней изотермической выдержке изделия, а степень завершённости процесса оценивалась по изменению скорости приращения амплитуды регистрируемого отражённого сигнала.
