Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы контроля и определения состава веществ

Диссертационная работа:

Гуляев Павел Юрьевич. Основы интегральных методов оптической диагностики дисперснофазных сред в процессах высокотемпературного синтеза материалов : диссертация ... доктора технических наук : 05.11.13.- Барнаул, 2000.- 323 с.: ил. РГБ ОД, 71 01-5/461-8

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

стр.

Введение 5

Глава 1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ

ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОФАЗНЫХ СРЕД 15

  1. Задачи интегральных методов контроля материалов и веществ в дисперсной фазе 16

  2. Основные виды интегральных соотношений и оптические схемы измерений 27

1.3. Обзор интегральных методов измерения 38

1.3.1.Методы контроля дисперсности (РЧР).

1.3.2.Измерение скорости двухфазных потоков (РЧС). 1.3.3.Методы контроля температуры (РЧТ).

1.4. Выбор и обоснование направления исследования 73

1.5. Выводы 76

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРИБОРОВ КОМПЬЮТЕРНОЙ

ДИАГНОСТИКИ 77

2.1. Обобщенная математическая модель измерения параметров
дисперсных веществ и материалов 78

2.2. Постановка задачи редукции в оптической диагностике
распределенных параметров 82

  1. Методы решения задачи редукции 87

  2. Учет влияния аппаратных шумов оптоэлектронных устройств регистрации 92

2.5. Выводы 98

Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ

ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДИСПЕРСНОФАЗНЫХ СИСТЕМ 3.1. Метод редуцирования температурного распределения частиц

по их интегральному тепловому спектру 100

  1. Постановка задачи и аналитическая модель измерения 101

  2. Физическая модель измерения и методика калибровки 103

3.2. Метод редуцирования распределения скорости частиц по их
интегральным время-пролетным характеристикам 108

  1. Математическок описание параметров дисперсного потока 109

  2. Время-пролетная модель измерения скорости частиц 113

  3. Интегральные оценки скоростных параметров потока 115

3.3. Физические модели в задачах редуцирования скорости частиц

по их интегральным время-пролетным характеристикам 118

Модель пуассоновского взаимодействия ударной волны с

облаком взвешенных частиц 121

3.4. Выводы 126

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ 127

  1. Способ измерения яркостной температуры цифровыми пирометрами-тепловизорами в режиме накопления заряда 127

  2. Исследование процессов СВ-синтеза методами яркостной пирометрии 134

  1. Определение температуры фронта горения СВ-синтеза 134

  2. Определение теплофизических параметров бинарной смеси

Ti-Al в режиме теплового взрыва 147

4.3. Исследование скорости массопереноса в двухфазных
гетерогенных потоках 157

4.4. Спектральная диагностика температурного распределения

частиц в самосветящихся высокотемпературных потоках 195

  1. Диагностика дисперсности в процессе впрыска топлива 203

  2. Выводы 213

Глава 5. СИСТЕМЫ ЭКСПРЕССНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ

ДИСПЕРСНЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ 214

5.1. Стенд комплексной диагностики температурно-скоростных

характеристик в процессах детонационно-газового напыления
защитных покрытий 214

  1. Стенд для исследования температурной кинетики и скорости горения в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 225

  2. Стенд оптической диагностики процессов смесеобразования

в нестационарной турбулентной топливовоздушной струе 232

5.4. Структура автоматизированной системы сбора и обработки

данных 239

5.4.1. Системная архитектура и характеристики базовых

микропроцессорных платформ для оптоэлектронных систем
экспрессной диагностики 239

  1. Быстродействующая малоформатная цифровая телевизионная система и пирометр-тепловизор "ПРИЗ 14/20" на ее основе 250

  2. Линейный измеритель скорости (инфракрасный) "ЛИСТ-ИК"

на базе лавинных фотодиодов 258

5.4.4. Автоматизированный спектрофотометр "Диагностик-Т" на базе
интегральной МДП-фотодиодной линейки 266

5.4.5. Комплекс технических средств для томографии плазменных

струй "Факел-1" 269

5.5. Выводы 271

Заключение 273

Литература 278

Приложения 302

Введение к работе:

Широкое внедрение компьютерной техники в интероскопию и
неразрушающий контроль веществ, материалов и изделий привело к
возникновению новой области знаний - вычислительной диагностики. Высокая
эффективность такого подхода была продемонстрирована при создании
приборов компьютерной томографии (А.Кормак и Г.Н.Хаунсфилд), а их
использование произвело революционный переворот в медицине и электронной
микроскопии макромолекул (А. Клуг) и отмечено Нобелевскими премиями
(1979, 1982 гг.). Впервые методы оптической томографии для исследования
газодинамики и контроля теплофизических характеристик

высокотемпературных запыленных плазменных струй применили отечественные ученые В.В.Пикалов, Н.Г.Преображенский, М.М.Лаврентьев, А.С.Алексеев и др. (1985, 1987 гг. ). Математическую основу вычислительной диагностики составляют методы редуцирования закона распределения контролируемых параметров среды по набору экспериментальных данных, получаемых путем интегрирования входного сигнала в пределах некоторого измерительного объема, заданного аппаратной функцией прибора, разработанные А.Н.Тихоновым и О.М.Филлипсом (1962, 1964 гг.).

Хорошо известны интегральные методы контроля дисперсности мутных сред, предложенные К.С.Шифриным и Г. Ван де Хюлстом (1951, 1961 гг.), основанные на редукции индикатрисы малоуглового рассеяния и спектральной прозрачности. Вместе с тем, контроль распределения скорости и температуры в дисперснофазных средах осуществляется локальными методами пиро- и анемометрии отдельных частиц, требующих длительного накопления данных и последующей статистической обработки. В этой ситуации очевидно, что одним из важнейших направлений исследований является разработка основ интегральных оптических методов контроля наиболее полного набора параметров состояния дисперснофазных сред.

Актуальность проблемы. Современные высокие технологии в различных отраслях производства широко используют быстропротекающие

высокотемпературные процессы обработки дисперсных материалов и
распыленных частиц вещества в конденсированной фазе. В большинстве
случаев для оптимизации технологического режима требуются оперативные
данные о температуре, скорости, концентрации или дисперсионном составе
частиц продукта переработки, получаемые без внесения дополнительных
внешних воздействий и возмущений. Эта общность определяет необходимость
разработки базовых компьютеризированных технологий применения
оптоэлектронных систем бесконтактной экспресс-диагностики в задачах
автоматизации, контроля и управления такими промышленными

технологическими процессами в реальном масштабе времени на основе
микропроцессорных систем и высокочувствительных интегральных
полупроводниковых датчиков. Следовательно, актуальность темы, с одной
стороны, обусловлена потребностью производства в автоматизации

оперативного контроля и наблюдения за основными параметрами газодисперсных и порошковых технологий, а с другой стороны, неудовлетворительным состоянием в области решения прикладных задач экспрессной диагностики высокотемпературных струйных и дисперсных систем, так как экспериментальное изучение таких технологических процессов до недавнего времени было исключительно затруднено, ввиду их существенной нестационарности и быстротечности.

Связь работы с государственными научными программами и темами. Научно-исследовательские работы по теме диссертации связаны с выполнением комплексной программы РАН "Сибирь" (в рамках подпрограммы "Новые материалы и технологии"), государственных программ Минприбора ("Сенсор", задание 04, этапы Н1,Н2); КБ "Салют" ("Датчик-ИК"); ГОИ им. С.И.Вавилова; АН СССР (по проблеме "Физическая оптика", шифр 1.6.1).; Ползуновского гранта 1996-97 гг. Государственного фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; программы "Конверсия и высокие технологии 1997-2000 гг." ( грант 1-1-5 "Скоростная пиро- и анемометрия"). Разработанная методика нашла также применение при учете температурного влияния внешней среды на результыты геодезических

измерений (Грант 1414 Госкомвуза России 1993-94 г.г. по фундаментальным исследованиям).

Научной проблемой, решаемой в диссертации, является разработка оптических методов контроля интегральных законов распределения температуры и скорости частиц в нестационарных высокотемпературных струях и быстропротекающих процессах горения по всему измерительному объему дисперснофазной среды. Это открывает практические возможности для изучения закономерностей распределений основных теплофизических параметров, управления, оптимизации и стабилизации технологических режимов, за счет точного воспроизведения температурно-скоростных характеристик дисперсной фазы в гетерогенных потоках и термохимических реакциях синтеза порошковых материалов.

Целью работы является разработка перспективной гаммы новых
технических методов и средств бесконтактного контроля и оптической
экспрессной диагностики основных теплофизических параметров,
определяющих режимы работы быстропротекающих высокотемпературных
технологических процессов в дисперснофазных средах. Создание основы
теории функционирования приборов компьютерной диагностики с заранее
заданными характеристиками качества контроля в условиях неполных данных об
объекте измерения; обобщенной физической постановки задач контроля
распределенных параметров температуры, скорости, концентрации и
дисперсности конденсированной фазы гетерогенных потоков по суммарному
оптическому сигналу образованным множеством частиц, а также

соответствующих оптоэлектронных методов обработки сигнала и быстродействующих устройств регистрации, позволяющих по тепловому излучению, спектральному составу, дифракционному рассеянию в масштабе реального времени определять широкий набор термодинамических характеристик технологического процесса и кинетики реакций термохимического синтеза порошковых материалов.

В работе поставлены следующие задачи:

создание методологического обоснования и обобщенных подходов к разработке методов получения эффективных оценок усредненных параметров распределения частиц по температурам, скоростям и размерам в высокотемпературных дисперсно-струйных системах на основе данных об их интегральных распределениях теплового спектра, картины дифракционного рассеяния и времяпролетнои диаграммы оптической плотности в сечениях гетерофазного потока;

обоснование структуры обобщенной функциональной схемы устройств интегрального контроля, алгоритмов обработки измерительной информации;

определение влияния шумов и критических условий применимости разрабатываемых методов оптической диагностики в зависимости от требуемого быстродействия, чувствительности, степени регуляризации некорректно поставленных обратных задач оценки параметров технологического процесса;

разработка экспериментальных методов и технических средств оперативной оптической диагностики основных характеристик состояния компонент конденсированной фазы в быстропротекающих технологических процессах обработки дисперсных материалов и веществ;

проведение численного моделирования и экспериментальных исследований для проверки эффективности применения разработанных методов контроля;

определение интегральных температурно - скоростных параметров в процессах детонационного напыления, СВ-синтеза и распыления топлива .

Методы и объект исследования: Исходным фактическим материалом послужили экспериментальные данные, полученные при апробации разработанных действующих образцов оригинальной диагностической аппаратуры на технологических установках детонационно-газового и плазменного напыления, в процессах горения гетерогенных конденсированных систем при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе порошковых материалов, на дизельных испытательных стендах топливной аппаратуры и др. , а также результаты предварительных метрологических и сравнительных испытаний с помощью сертифицированных и поверенных

температурных, частотных, спектральных эталонов и контрольно-

измерительных приборов.

Теоретические исследования базируются на следующих современных научных положениях и методах:

статистических принципах оптимизации измерений при наличии помех, методах решения некорректных обратных задач при обработке экспериментальных данных, физических основах твердотельной оптоэлектроники, оптики и фотометрии (для разработки математической модели приборов оптической диагностики);

основных понятиях о теплофизических параметрах состояния вещества в плазмодинамике и химической кинетике экзотермических реакций дисперсных систем, теории оптической пиро- и спектрометрии теплового излучения (как основы методов температурной диагностики порошковых технологий);

методах дифракционной томографии, законах Ламберта-Беера, Бугера, теории Ми и оптических методах малоуглового рассеяния света малыми частицами (в дисперсионной диагностике аэрозолей, газовзвесей и топливно-воздушных струй);

- методах компьютерной проекционной томографии и корреляционного
анализа, статистической теории транспортных потоков, времяпролетных
методов анемометрии сжимаемых потоков (при диагностике скорости
гетерогенных потоков в технологиях напыления защитных покрытий).

Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработан набор
оригинальных оптоэлектронных методов и приборов контроля

теплофизического состояния дисперсных материалов, основаных на едином методологическом подходе который заключается в том, что интегральные оценки состояния дисперсной фазы высокотемпературных гетерогенных струйных или порошковых систем с распределенными температурно-скоростными и фракционными параметрами могут быть определены с заданной точностью путем проведения совокупных (или совместных) оптических измерений интегральных распределений теплового спектра, времяпролетных транспортных задержек тепло- массопереноса, картины дифракционного

рассеяния лазерного излучения и построения устойчивых приближенных решений так называемых некорректно поставленных обратных задач вида A*z=u, где А - матрица (или оператор), элементы которой рассчитываются по известным физическим законам, связывающих значения {Ui} вектора и -результатов прямых оптических измерений и значений {Zi} вектора z -искомых интегральных оценок теплофизических параметров.

Конкретные реализации такого подхода представлены в виде следующих новых методик и технологий применения их при газотермическом нанесении защитных покрытий и термосинтезе интерметаллидов :

-Высокоскоростная микропирометрия высокотемпературных дисперсных сред. -Быстродействующая цифровая тепловизионная съемка быстропротекающих процессов.

-Спектральный экспресс-анализ теплового излучения и температурного распределения частиц порошка в плазменном потоке.

- Время-пролетная диагностика тепло- и массопереноса в импульсных
нестационарных потоках.

- Диагностика дисперсионного состава.

Имеющиеся результаты работы выполнены на современном научно-техническом уровне и по своей комплексности опережают большинство разработок, существующих в данной области исследований, т.к. изначально ориентированны на использования в качестве датчиков нового поколения полупроводниковых функциональных преобразователей: твердотельных полихроматоров - для температурного контроля и интегральных фотоматриц с программируемым сканированием и аппертурой - для контроля скорости и дисперсности.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты
исследования открывают практические возможности оптимизации и

стабилизации технологических режимов и выпуска продуктов с заранее заданными свойствами, прямого трансфера плазмоструйных технологий с опытно-экспериментального оборудования на высокопроизводительные промышленные установки. В рамках поставленной проблемы сфера

практического приложения результатов исследования включает в себя широкий
спектр технологических процессов, начиная от традиционных технологий
переработки и получения дисперсных материалов в химической
промышленности, процессов горения углеродосодержащих твердых веществ и
подачи топлива в двигателестроении, до новейших технологий

самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиционных материалов и нанесения защитных покрытий газотермическими, электроннолучевыми, лазерными и др. методами.

Таким образом рассматриваемые аспекты применения оптической экспрессной
диагностики дисперснофазных процессов имеют межотраслевой характер,
создавая существенные предпосылки для развития многих технологических
областей, направлений исследования и разработок, и соответствуют
требованиям "Критических технологий федерального уровня" (утв.

Правительственной комиссией по науч.-техн. политике от 21.07.96 N 2728п-П8) по Разделу 1 (1.9. Опто- и акустоэлектроника), Разделу 2 (2.4. Электронно-ионно-плазменные технологии), Разделу 3 (Материалы и сплавы со специальными свойствами).

Реализация результатов исследований в виде научных методик, способов контроля и измерения, а так же в виде разработанных программно-аппаратных комплексов для исследования и диагностики быстропротекающих и высокотемпературных процессов в период с 1987 по 2000 г. была проведена путем их внедрения и использования на ряде предприятий и научно-исследовательских организаций:

Государственном научном центре Российской Федерации ЦНИИ Конструкционных материалов "Прометей", для контроля температуры и скорости в плазмоструйных технологиях обработки порошковых материалов и изделий;

- Алтайском заводе прецизионных изделий (АО "Алтайдизель"), для контроля скорости и дисперсности топливо-воздушной струи дизельных форсунок ;

- АО "АНИТИМ"; АО "Оргтехника"(Барнаул) , в системе контроля
температуры и скорости частиц при детонационно-газовом напылении защитных
покрытий;

- АО "Сибэнергомаш", для технологического контроля температурного режима отжига аустенидных труб и сварных элементов котлоагрегатов;

Институт теплофизики СО РАН (Новосибирск), для оптической томографии высокотемпературных струй;

АНЦПТ (Барнаул), для исследования скорости фронта горения и энергии активации, температурной динамики процессов СВ-синтеза.

На защиту выносятся:

  1. Методы определения интегральных пространственно-скоростных характеристик двухфазных потоков, состоящих в последовательном выделении интегральных массорасходных характеристик потока в нескольких его сечениях;

  2. Методы яркостной пирометрии при измерения температуры фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, учитывающие интегральный коэффициент перекрытия оптического поля зрения пирометра;

  3. Способ определения энергии активации гетерогенного взаимодействия бинарных систем по механизму реакционной диффузии, основанных на выделении характерных точек перегиба на высокоскоростном участке термограммы;

  4. Методы редукции температурного распределения частиц в высокотемпературной струе по их интегральному тепловому спектру излучения;

  5. Основы теории приборов компьютерной диагностики распределенных параметров на базе МДП-фотоприемников с накоплением заряда: структура, выбор метода обработки сигнала, точность прибора и влияние шумов фотоприемника.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований представлялись научными докладами на Всесоюзных конференциях, семинарах

и совещаниях: "Формирование оптического изображения и методы его
коррекции" (Могилев, 1979); "Проблемы функциональной микроэлектроники"
(Горький, 1980); "Робототехнические системы в отраслях народного хозяйства"
(Минск, 1981); "Оптические сканирующие устройства и измерительные
приборы на их основе" (Барнаул, 1980, 1990); "Координатно-чувствительные
фотоприемники и оптикоэлектронные устройства на их основе" (Барнаул, 1979,
1981, 1985, 1987, 1989); "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение"
(Москва, 1979, 1982); "Измерение и контроль при автоматизации
производственных процессов" (Барнаул, 1982); "Робототехника и автоматизация
производственных процессов" (Барнаул, 1983); на Международных

конференциях: "Проблемы промышленных СВС технологий" (Барнаул, 1994); "Современные технологии геодезического,фотограмметрического и картографического обеспечения землеустройства и земельного кадастра в Сибирском регионе" (Новосибирск, 1994); "Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции" (Барнаул, 1995); "Датчики электрических и неэлектрических величин (ДАТЧИК-95)" (Барнаул, 1995); Всесибирские чтения по математике и механике (Томск, 1997); на Всероссийских и Межрегиональных конференциях: "Региональные проблемы информатизации" (Барнаул, 1995); "Экспериментальные методы в физике неоднородных сред" (Барнаул, 1996); "Методы и средства измерений физических величин" (Нижний Новгород, 1997) Всесибирские чтения по математике и механике (Томск, 1997); V-th Russian-Chinese International Symp. AMP"99 (Байкальск, 1999). Действующие образцы разработанной контрольно-измерительной аппаратуры демонстрировались на международных выставках: "МОТОМ-90" при 7-м Конгрессе по термической обработке материалов (Москва, ЭКСПОЦЕНТР, 1990); "Измерительная техника MERA-91" (Москва, ВДНХ, 1991); "Современные проблемы оптико-электронного приборостроения " (Новосибирск, СГГА, 1993); "Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции" (Барнаул, АГТУ, 1995); "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 1998).

Личный вклад. Постановка задач, способы их решения и основные научные результаты принадлежат лично автору . Экспериментальные исследования, разработка электронных блоков и аппаратных средств, программного обеспечения выполнены при непосредственном участии автора сотрудниками лабораторий ИФП СО АН СССР и АлтГТУ, которыми он заведовал. Под руководством и при научной консультации автора успешно защищены шесть кандидатских диссертаций.

Публикации. Научные результаты исследований опубликованы в 114 печатных работах, из них: 6 патентов и авторских свидетельств на изобретение новых оптоэлектронных способов контроля и измерения, 30 статей в академических, научно-технических журналах и сборниках трудов, 4 информационные карты-листка на новые разработки, включенные в банк данных государственной системы научно-технической информации, а так же в материалах докладов, сделанных на научных конференциях, в том числе 22 международных симпозиумах и семинарах. В монографии В.В.Евстигнеева, Б.М.Вольпе и др. "Интегральные технологии самораспространяющиеся высокотемпературного синтеза".-М: Высш. школа, 1996 со ссылкой на разработки автора диссертации представлена методика высоктемпературной яркостной пирометрии для исследования взаимодействия в базовых СВС-системах. Общий объем публикаций составляет около 300 машинописных страниц.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 255 страниц машинописного текста, 9 таблиц, 85 рисунков. Список литературы включает 236 отечественных и 58 зарубежных наименований.

Подобные работы
Авдеев Виктор Петрович
Научные и инженерные основы метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля
Ковалева Ирина Владиславовна
Метод измерения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов на основе интегральной формы уравнения Фурье
Решетов Анатолий Анатольевич
Разработка метода диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности
Зверев Сергей Борисович
Магнитоакустические и магнитолазерные резонансные методы и средства изучения и диагностики физических свойств жидких сред
Андреев Николай Кузьмич
Научные основы методов низкочастотной релаксационной ЯМР-интроскопии
Рыбаков Евгений Рудольфович
Контроль обмоток силовых трансформаторов на основе активных методов анализа их динамических характеристик
Тырышкин Сергей Юрьевич
Метод контроля микроклимата на основе обработки результатов совокупных измерений
Тюрин Александр Николаевич
Контроль технического состояния активной части силового трансформатора на основе расчетно-экспериментальных методов оценки вибрационных характеристик
Орлова Анна Олеговна
Метод определения компонент смеси на основе двумерного спектра люминесценции
Кириллова Светлана Владимировна
Методы оценки опасности наводнения на основе данных мониторинга и средств вычислительного эксперимента

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net