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:

Подкин Юрий Германович. Разработка методов и средств диэлькометрического контроля неравновесных дисперсных систем : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.13 : Москва, 2004 362 c. РГБ ОД, 71:05-5/87

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 6

1 Современное состояние и трудности формирования из
мерительной информации при диэлькометрии дисперсных систем 14

  1. Операторы и функционалы диэлькометрии 14

  2. Особенности диэлектрических характеристик гетерогенных материалов 19

  3. Термодинамика неравновесных дисперсных систем 25

  4. Методология информационной оптимизации измерительных средств. 30

1.5 Техническое обеспечение диэлькометрии 35
Выводы к первой главе 46
Постановка задачи исследования 47

2 Развитие метода диэлькометрического контроля
дисперсных систем на основе аппарата неравновесной термоди
намики 49

  1. Методология применения аппарата неравновесной термодинамики к нестационарным анизотропным дисперсным дис-сипативным диэлектрикам. 49

  2. Бинарная модель системы растворения. 56

  3. Диссипативно-структурная модель неравновесной дисперсной системы 68

2.4 Физико-химическое моделирование неравновесных
дисперсных систем. 74

Выводы к второй главе 89

3 Разработка информационного и методического обеспече
ния диэлькометрического контроля неравновесных дисперсных
систем 91

3.1 Анализ функциональной схемы диэлькометрической
информационно-измерительной системы 91

  1. Формирование измерительной информации в диэлькометрических ИИС 99

  2. Помехоустойчивость диэлькометрических ИИС 106

  3. Разработка методологии повышения информативности диэлькометрии 111

Выводы к третьей главе 120

4 Разработка методов и средств получения и первичной
обработки информации в системах диэлькометрического контро
ля неравновесных объектов 122

4.1 Электрические модели ПИП неравновесных дисперс
ных систем 122

  1. Особенности проектирования ПИП неравновесных дисперсных систем 126

  2. Обработка первичных данных на основе электрического и физического моделирования дисперсных систем 143

  3. Обработка экспериментальных данных на основе теории графов. 149

  4. Метрологическое обеспечение диэлькометрии неравновесных систем. 163

Выводы к четвертой главе 170

5 Разработка методов и проектирование средств вторичной
обработки информации диэлькометрических систем контроля не
равновесных сред. 172

  1. Принципы и потенциальные возможности инвариантного преобразования составляющих проводимости CG-двухполюсников 172

  2. Прямое измерительное преобразование составляющих

CG двухполюсников в широком диапазоне частот. 176

5.2.1 Переходная характеристика 178

5.2.2 Измерительная цепь в режиме питания гармониче-

скойЭДС. 180

5.3 Вариационный принцип измерения параметров CG-
двухполюсников 186

5.4 Проектирование специализированных модулей 191

  1. Релаксационные преобразователи 191

  2. Автогенераторные преобразователи. 205

  1. Преобразователи на основе параметрической модуляции. 209

  2. Особенности детектирования сигналов и варикапного управления во вторичных приборах. 221

Выводы к пятой главе 223
6 Реализация, внедрение и испытания средств диэлькомет-

рического мониторинга. 225

6.1 Особенности проектирования и испытания многофунк
циональных диэлькометрических средств. 225

6.1.1 Синтез функциональных схем диэлькометров на ос
нове вариации параметров контуров 225

6.1.2 Испытания многофункциональных диэлькометров. 239

  1. Проектирование внедрение и испытания средств операционного контроля квазиравновесных дисперсных систем 245

  2. Проектирование внедрение и испытание средств операционного контроля неравновесных дисперсных систем. 256

  3. Проектирование системы диэлькометрического мониторинга водных природных сред 266

Выводы к шестой главе 277

Основные результаты и выводы 278

Литература 281

Приложения. 315

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Проблема повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции не может быть решена без совершенствования методов и средств контроля' её параметров на всех стадиях производства. В современных условиях традиционные физико-химические и механические методы испытаний часто не обеспечивают необходимой оперативности контроля технологических параметров веществ и материалов, или связаны с разрушением готовых изделий, что приводит к значительным материальным; потерям и тормозит повышение эффективности производства. Особенно трудна задача технологического контроля при производстве материалов со сложной, изменяющейся во времени и > пространстве, дисперсной структурой. К ним относятся цементы, бетоны, коагулянты, водно-керамические вяжущие системы, защитные покрытия металлов, поддонов и * изложниц, пищевые, сельскохозяйственные и нефтепродукты, технологические растворы электролитов в медном, цинковом производствах и радиотехнической промышленности, химико-фармацевтические препараты, и др. Так, определение удельного содержания фаз вяжущих смесей, химреактивов, пищевых продуктов, медпрепаратов весьма продолжительно. Прочность цементного камня определяется после многосуточного твердения, при ЭТОМ ДО' 1% готовых изделий подвергается разрушению, концентрация раствора электролита и протекающие в нем процессы определяют скоростные и стоимостные показатели соответствующих техпроцессов.

Технологический контроль производства медного и цинкового концентрата, коагулянтов, химреактивов, некоторых пищевых продуктов проводится в условиях резкой неравновесности, вызванной бурным протеканием химических реакций, использованием кипящего слоя, конвективных потоков. Поэтому известные способы контроля кинетики химических реакций, перестройки структуры разбавляемых растворов электролитов, гидратационных и водно-керамических вяжущих веществ, клеев, плава сульфата алюминия и

многих других неравновесных дисперсных систем не позволяют управлять ходом этих процессов и качеством выпускаемой продукции. Повысить эффективность технологического контроля г дисперсных систем иг обеспечить возможность автоматизации их производства при высоком качестве готовой продукции можно на основе использования косвенных, неразрушающих методов измерений.

Одним из перспективных методов технологического контроля многофазных: материалов является диэлькометрический метод, основанный; на взаимодействии электрического поля с веществом. Теория метода базируется на трудах Д.К. Максвелла, Г.А. Лоренца, К.В. Вагнера, П.Дебая, Г. Фрелиха. Методике диэлькометрии посвящены классические работы Г.И. Сканави, В. Брауна, Ф. Эме и современные исследования Т. Ханаи, С.Вена, ДіД.Л. Хунга, Г.П. де Лоора, А.А. Потапова, О.И.Гудкова. Технические приложения к системам контроля диэлектрических характеристик композитных материалов созданы в институте механики полимеров (Латвия) под руководством И.Г. Матиса, горных пород - в С.-Петербургском горном университете школой Е. С. Кричевского, строительных материалов и конструкций, - лабораторией Московского института строительной физики под руководством В1С. Ройфе. Серийный выпуск диэлькометров освоен под руководством Ю.В.Подгорного Ангарским ОКБ А. Наиболее разработана диэлькометрическая влагометрия трудами А.Ю. Бера и Ю.П. Секанова (НПО «Агроприбор»), Т.Я. Гораздов-ского (Московское НПО«Спектр»), В.И. Корякова и А.С. Запорожец (Уральский НИИ метрологии), В.П1 Катушкина (С.-Петербургский технологический университет) и многими другими..

Существенная зависимость составляющих є' и є" эффективных диэлектрических проницаемостей є* дисперсных систем от структуры, химического и фазового состава, характера и интенсивности взаимодействия их фаз, специфическое взаимодействие: с внешней средой, в принципе, позволяет контролировать фазовый состав и состояние дисперсной системы не только в момент наблюдения, но и прогнозировать свойства конечных продуктов.

Однако, методы анализа процесса измерительного преобразования технологических параметров в диэлектрические; величины развиты слабо, а известные способы и средства не обеспечивают необходимой точности измерения диэлектрических проницаемостей; неравновесных дисперсных систем с. повышенной удельной проводимостью аг. В результате методы количественного контроля, в частности, функции преобразования удельного содержания фаз в электрические величины, известны только для узкого круга материалов и веществ. Обычно они определяются для равновесного влагосодержания. А возможность качественного анализа* и: кинетического контроля диэлькомет-рическим методом характеристик интенсивных процессов изменения состава и перестройки структуры неравновесных дисперсных систем вообще не изучены.

Таким образом, существует крупная научная проблема создания методологии диэлькометрии неравновесных дисперсных систем и диэлькометри-ческих средств^ оперативного контроля основных технологических параметров многофазных нестационарных и анизотропных материалов с повышенной проводимостью, имеющая важное народнохозяйственное значение. Научно обоснованные технические решения в рамках этой проблемы позволят снижать издержки производства и повышать качество выпускаемой продукции во многих отраслях народного хозяйства, что внесет значительный вклад в развитие экономики страны.

Цель работы. Разработка научных основ применения диэлькометриче-ского метода для создания новых, совершенствования известных и расширения сферы внедрения действующих систем технологического контроля фазового состава и процессов структурообразования неравновесных дисперсных материалов.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретические методы исследования основаны на использовании неравновесной термодинамики, физической химии, химической кинетики,

электродинамики, физики диэлектриков, электрохимии, теории вероятностей, теории возможностей, теории решений и математической статистики.

При создании моделей и имитаторов использовались методы математического, физического и компьютерного моделирования, теория графов и теория множеств. Разработка ПИП велась на основе теории поля. Исследование процессов формирования и обработки измерительных сигналов проводилось топологическими методами -. на основе теории информации, теории сигналов, эпистемологии и корреляционного анализа.

Синтез методов и средств измерений базировался; на системологии, системотехнике и теории цепей.

Экспериментальные исследования,созданных средств измерения проводились по действующим методикам и стандартам с применением калибровочных образцов и поверенных средств измерений. Обработка данных проводилась методами математической статистики.

Экспериментальные исследования неравновесных дисперсных систем проводилась на натуральных образцах в два этапа. Первичные исследования выполнялись в лабораторных условиях имитационными методами. Приемосдаточные испытания проводились в производственных условиях.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждены сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными путем моделирования или натуральных испытаний с последующим внедрением разработанных методов и средств в исследовательскую практику и производство..

Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе,. базируются на фундаментальных положениях теоретической физики и химической кинетики и хорошо согласованы, с современными научными представлениями и данными, полученными из отечественных и зарубежных информационных фондов, а также подтверждаются собственными оригинальными исследованиями и их представительным обсуждением по публикациям в академических изданиях и выступлениям на международном уровне.

Основные технические решения защищены авторскими свидетельствами и внедрены в производство.

Градуировка и калибровка і созданных исследовательских установок проводилась путем сравнения с мерами, подготовленными из образцовых радиокомпонентов, параметры которых измерялись аттестованными средствами измерения.

Градуировка средств технологического контроля проводилась с помощью і натуральных образцов, подготовленных соответствующими специализированными лабораториями.

Экспериментальные исследования і проводились, откалиброванными средствами измерений, с использованием дополнительной поверенной аппаратуры и стандартных или калибровочных образцов.

Научная новизна

  1. Впервые разработана хорошо согласованная j с экспериментом теория переходных процессов, протекающих при растворении:бинарных системі электролитов, позволяющая проектировать на новой (принципиальной основе способы и средства контроля быстрых химических реакций;

  2. Развита активно-диссипативная кинетическая модель процесса гид-ратационного твердения;вяжущих материалов, позволяющая с термодинамических позиций объяснить корреляцию временных диэлектрических и реологических характеристик вяжущих систем. Доказана возможность контроля по продолжительности экстремумов диэлектрических характеристик сроков схватывания цементов, мономинеральных и водно-керамических вяжущих, а также долговременного прогноза прочности цементного камня;

  3. Разработан способ контроля степени высыхания и удельного содержания теофеллина= в эуфиллине по характеру изменения; є" или/5=е'7г'

в релаксационной области;

4. Разработан и экспериментально подтвержден способ графоаналити
ческой обработки измерительной информации на основе выделения в нерав
новесной системе невзаимодействующего базиса с помощью физической

II двухфазной модели, образованной квазииндифферентными фазами;

  1. Предложены новые способы повышения информативности средств диэлькометрического контроля неравновесных дисперсных систем за счет временного, пространственного или скоростного мультиплицирования каналов измерения;

  2. Развиты фазокомпенсационный и вариационный способы независимого определения составляющих комплексной проводимости емкостных датчиков, расширяющие функциональные возможности диэлькометрических средств измерений;

  3. Разработан и экспериментально подтвержден способ автоматической установки плотности тока при электроосаждении цветных металлов, на основе определения площади электродов по величине проводимости гальванопары;

  4. Разработана концепция интегрального экологического мониторинга водных сред.

Практическая ценность работы.

  1. Развитие теоретических основ диэлькометрии неравновесных дисперсных систем позволило создать новый класс аналитических приборов: ди-элькометрические кинетические анализаторы, которые реализованы, в частности, в приборах АДСА-2, АДСА-ЗМ и ТДТ - для определения сроков схватывания вяжущих строительных материалов в процессе гидратационного твердения, в приборе КА-2 - для операционного контроля хода химических реакций кислотного разложения гидроксидов и блоке управления гальванической установки DYNA PLUS - для автоматической регулировки плотности тока при металлизации печатных плат.

  2. Созданные в работе методы повышения информативности и достоверности результатов измерений позволяют идентифицировать факторы, определяющие структуру, свойства и процессы в неравновесных дисперсных системах и оптимизировать число измерительных каналов, рабочие частоты, информативные параметры технологических диэлькометрических средств.

  1. Созданные и защищенные авторскими свидетельствами принципы построения диэлькометрических средств позволяют создавать компьютеризированные исследовательские установки на базе типовых средств измерения и использованы при создании и внедрении одно- и двухпараметровых диэль-кометров, обеспечивавших экспрессное, независимое измерение составляющих диэлектрической проницаемости многофазных материалов с tg5Max< 50. Такие устройства позволяют определять фазовый состав и период структуро-образования нестационарных систем и могут быть использованы для контроля других технологических параметров, функционально связанных с диэлектрической проницаемостью контролируемых веществ и материалов, в частности повышать точность автоматической установки плотности тока при электроосаждении металлов.

  2. Методология проектирования двухпараметровых диэлькометров использована при разработке влагомеров зерна, торфа, эуфиллина, пищевых дрожжей, обеспечивающих лучшую инвариантность к географическим, климатическим факторам и сорту измеряемого продукта, чем известные.

  3. Методы моделирования, развитые в работе, использованы для создания стандартных и калибровочных образцов различных материалов и продуктов.

  4. Принципы построения измерительных устройств, предложенные структуры измерительного и функционального преобразования использованы при проектировании систем экологического и технологического мониторинга, создании и внедрении технологического диэлькометрического тестера, измерителя площади металлизации.,

Реализация и внедрение работы. Результаты работы и созданные средства операционного контроля используются на предприятиях и в научно-исследовательских организациях Уральского и Поволжского регионов.

Способ контроля степени высыхания и электронный анализатор влажности ОСП-З внедрены на Свердловском заводе медпрепаратов, влагомер: торфа ВТД-ЗМ- в производственном объединении «Свердловскторф», анали-

затор влажности и подъемной силы сухих дрожжей АСД-1 - на Сарапуль-ском дрожжепивзаводе. Освоен серийный выпуск влагомеров зерна «Колос».

Методы моделирования, методики аттестации стандартных образцов и диэлькометрический спектроанализатор АДСА-2 внедрены в Уральском научно-исследовательском институте метрологии (УНИИМ). Способы операционного технологического контроля и технологический диэлькометрический тестер ТДТ - на Нижнє -Тагильском цементном заводе.

Методика контроля процессов гальванической металлизации печатных плат и измеритель площади металлизации внедрены на Сарапульском радиозаводе.

Теория диэлькометрического контроля неравновесных дисперсных систем, методы моделирования, калибровки и аттестации средств измерений внедрены в учебный процесс в ИжГТУ.

Апробация работы. Исследования и испытания разработанных средств диэлькометрического контроля проводились на Нижне-Тагильском цементном заводе, в Свердловском ДСК, научно-исследовательских институтах УНИИМ и УНИХИМ, в Главсредуралстрое, на Сумском ПО «Химпром».

Материалы диссертации были доложены на 21 конференциях и совещаниях.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 39 статьях, учебном пособии и двух монографиях. По результатам проведённых исследований получено 19 авторских свидетельств и патентов.

Диссертационная работа изложена на 362 страницах машинописного текста, иллюстрируется 90 рисунками и фотографиями и состоит из введения, шести глав, библиографии из 352 наименований на 34 страницах и приложений на 48 страницах.

Подобные работы
Акулинин Игорь Николаевич
Разработка метода и автоматизированной системы контроля зависимости теплофизических характеристик полимерных материалов от температуры и давления
Цветков Алексей Николаевич
Разработка методов автоматизированного проектирования, расчета и контроля магнитных систем спектрометров ЯМР
Бобаков Дмитрий Александрович
Разработка методов и измерительно-управляющей системы непрерывного активного контроля комплекса геометрических показателей вкладышей подшипников
Сычев Сергей Николаевич
Разработка методов и средств контроля состава сложных смесей органических соединений на основе диполь-полевой теории удерживания нормальной и обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии
Данилов Юрий Валентинович
Исследование и разработка методов и средств контроля процессов гальванической металлизации печатных плат
Бизюлев Александр Николаевич
Исследование электромагнитных методов контроля и разработка средств дефектоскопии с повышенной разрешающей способностью
Вдовин Александр Александрович
Разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов
Бражкин Борис Сергеевич
Разработка методов и средств контроля сложнопрофильных деталей типа тел вращения
Гурская Анастасия Александровна
Разработка методов и средств контроля высокочистого синтетического корунда и технологических сред для его получения
Завгородний Алексей Владимирович
Разработка метода и средств контроля пространственно-временного распределения оптических характеристик взвеси инфузорий для биотестирования водных сред

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