Введение к работе
Актуальность. Разработка новых материалов с необходимыми физико-химическими свойствами, отработка технологии их производства, контроль качества готовой продукции и испытания изделий в процессе эксплуатации требуют проведения экспресс-анализа состава и свойств веществ. Эта задача может эффективно решаться с помощью измерительных приборов неразрушаю-шего экспресс-контроля (НЭК).
При производстве и эксплуатации теплоизоляционных материалов и изделий, испытывающих значительные тепловые воздействия, необходим контроль теплозащитных свойств, которые часто характеризуются комплексом те-гоюфизнческнх свойств (ТФС): теплопроводностью, температуропроводностью и теплоемкостью. С точки зрения оперативности большой интерес представляют импульсные методы, обеспечивающие неразрушающий экспресс-контроль ТФС твердых материалов.
В технике применяются конструкционные и теплоизоляционные материалы, ТФС которых существенно различаются. Однако известные измерительные приборы, реализующие импульсные методы НЭК., обеспечивают требуемую точность только в узком диапазоне ТФС исследуемых материалов, что обусловлено неполной адекватностью аналитической модели контроля реальным процессам. Применение микропроцессоров в этих приборах обеспечило использование точных формул для вычисления искомых ТФС за счет реализации сложных алгоритмов расчета, но при этом не позволило существенно повысить точность в заданном диапазоне контроля ТФС. Причина этого - проектирование микропроцессорного измерительного прибора, строго реализующего аналитическую модель метода контроля и использование микропроцессора, как средства обработки результатов измерений. При этом программно-управляемое средство становятся подобием прибора с жесткой структурой, что не позволяет полностью использовать функциональные возможности микропроцессора.
Дальнейшее совершенствование импульсных методов и приборов НЭК ТФС предлагается проводить за счет использования возмохслостей микропроцессора для экспериментального определения поправок и автоматической коррекции погрешности аналитической модели контроля.
Таким образом, разработка импульсных методов и микропроцессорных приборов, обеспечивающих расширение диапазона исследуемых материалов и повышение точности НЭК теплозащитных свойств твердых мдтерігхтов является актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом министерства науки и технической политики РФ по программе "Черноземье" (1993-1995гг.). межвузовской научно-технической программе Гособразования РФ "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (1994-1995гт.).
Предмет исследований. Методика разработки микропроцессорных приборов НЭК с расширенным диапазоном контроля ТФС. Методика получения модели введения поправок и применение ее для повышения точности аналитической модели контроля. Алгоритмы определения параметров модели поправок по материалам с известными свойствами. Импульсные методы и модели контроля ТФС. Архитектура измерительно-вычислительных приборов (ИВП) и способы повышения информативности обмена между число-импульсным микропроцессором (ЧИМ) и внешними устройствами.
Цель работы. Повышение точности импульсных методов и микропроцессорных приборов неразрушахэщего экспресс-контроля и расширение диапазона контроля теплофизичеекда свойств твердых материалов .
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методику создания микропроцессорных измерительных приборов импульсного контроля теплофизических свойств;
разработать модель введения поправок для автоматической коррекции систематических погрешностей контроля теплофизических свойств и создать алгоритм определения параметров этой модели;
разработать неразрушающие импульсные методы определения теплофизических свойств, обеспечивающие требуеьгую точность и оперативность в заданном диапазоне контроля;
сформировать архитектуру микропроцессорного измерительного прибора;
- провести промышленные испытания и внедрение результатов работы.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы
системного анализа и математического моделирования, методы технической кибернетики и метрологии, а также опыт в области микросхемотехники измерительных средств для контроля ТФС при исследованиях, проводимых в рамках НИР и ОКР.
Научная новизна.
1. На основе аналитического решения математической модели температурного поля образца при импульсном тепловом воздействии на его поверхность получены зависимости для расчета теплофизических свойств по экспе-
риментальным данным, положенные в основу методов неразрушающего контроля теплофизическнх свойств.
-
Предложена модель введения поправок в измеренные значения на основе анализа погрешностей импульсных методов контроля теплофизическнх свойств.
-
Разработана методика калибровки микропроцессорных приборов посредством нахождения параметров модели введения поправок по результатам экспериментов с образцами имеющими известные теплофнзические свойства.
-
Проведены исследования метрологических характеристик разработанных методов и определены области наиболее целесообразного применения для каждого из них: - экспрессный контроль, не требующий высокой точности; -контроль с повышенной точностью в узкоограниченном диапазоне теплофизи-ческих свойств; - контроль теплофизическкх свойств в расширенном диапазоне измерения.
-
Предложена методика создания микропроцессорных приборов с гибкой архитектурой для неразрушающего экспресс-контроля теплофизическнх свойств на основе импульсных методов и модели введения поправок в измеренные значения.
Практическая ценность.
-
Предложенная методика создания позволила разработать микропроцессорные приборы серии Темп" для неразрушающего экспресс-контроля теплофизическнх свойств, позволяющие повысить точность і- расширить диапазон измерения.
-
Импульсные методы контроля теплофизическнх свойств, реализованные в микропроцессорных приборах серии Темп", повысили метрологические и эксплуатационные характеристики приборов.
-
Алгоритм определения параметров модели введения поправок и методика калибровки положены в основу метрологического обеспечения микропроцессорных приборов серии Темп", что позволило контролировать тепло-физические свойства материалов с теплопроводностью от 0.02 до 1.5 Вт/мК.
-
Создан способ обмена информации с число-импульсным микропроцессором, повышающий скорость обмена информации в 120 раз.
-
Способ обмена информации реализован в интерфейсах ввода-вывода приборов серии Темп", что позволило расширить их функциональные возможности.
Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение при создании:
-
автоматизированных приборов для теплофизических исследований теп-лоизоляторов РИПОР, ТИНК, КССК в температурном диапазоне 20-1200'С, изменяемом по заданной программе при экспресс-контроле температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности (п/я В2572, Москва);
-
микропроцессорных приборов серии "Темп" для НЭК комплекса ТФС твердых материалов с теплопрводностью в диапазоне 0.02 - 1.5 Вт/мК (НПО "Энергия", Калининград);
-
способов обмена информации в сети программируемых микрокалькуляторов (Школа дифференцированного обучения №13, г. Тамбов);
-
устройства для организации учебного процесса 'Темп 090", Темп 091" (Школа дифференцированного обучения №13, г.Тамбов).
Результаты работы по созданию способов обмена информации и контроля теплофизігческих свойств, архитектуры устройств для их реализации защищены 3 патентами России. Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 56 тыс. руб. (в ценах 1991г.).
Апробация. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Новейшие исследования в области теплофизігческих свойств" (г.Тамбов, 1988г.), Всесоюзной научной конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (г.Тамбов, 1989г.), Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств" (г.Тамбов, 1989г.), Республиканском семинаре "Опыт применения однокристальных микроконтроллеров в народном хозяйстве" (г.Тернополь, 1989г.), Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Теплофизика релакенрующих систем" (г.Тамбов, 1990г.), Международном совещании-семинаре молодых ученых" Теплофизические проблемы промышленного производства" (г.Тамбов 1992г.), Второй международной теплофизической школе "Повышение эффективности теплофизических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения" (г.Тамбов, 1995г.), Российской электрохимической школе "Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа" (г.Тамбов, 1995г.).
Публикации, Теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах. Новизна способов экспресс-контроля и реализации информационных процессов, архитектуры систем и интерфейсов защищена 3 патентами России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации из-
