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:

Толстых Светлана Германовна. Разработка метода и устройства для измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13 : Тамбов, 2004 240 c. РГБ ОД, 61:05-5/1561

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 6

Глава 1. Обзор методов измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах 12

1.1. Стационарные методы 14

1.2. Нестационарные методы 17

1.3. Измерение влажности 23

1.3.1. Методы измерения влажности общего назначения 24

1.3.2. Измерение влажности древесины 26

1.3.3. Метод измерения влажности древесины, выбранный для разрабатываемого метода измерения коэффициента диффузии 29

1.4. Постановка задачи исследования 30

Глава 2. Теоретические основы метода измерения коэффициента диффузии 36

2.1. Разработка схемы проведения эксперимента по определению * коэффициента диффузии в КПМ 36

2.2. Разработка физической модели измерительного устройства 42

2.3. Математическая модель измерительного устройства 44

2.3.1. Математическая модель измерительного устройства на первом этапе эксперимента 46

2.3.2. Математическая модель измерительного устройства на втором этапе эксперимента 49

2.3.3. Математическая модель измерительного устройства в безразмерном виде 53

2.3.4. Исследование влияния параметров математической модели на порядок проведения эксперимента 55

2.3.4.1. Исследование влияния длительности первого этапа на процесс изменения влагосодержания на втором этапе 56

2.3.4.2. Исследование влияния длительности первого этапа на диапазон изменения влагосо держания на втором этапе эксперимента 58

23 A3. Исследование влияния расстояния, на котором установлен датчик влаги, на порядок проведения эксперимента 60

2.3.4.4. Исследование совместного влияния длительности первого этапа и расстояния, на котором установлен датчик влаги, на диапазон изменения влагосодержания 62

2.3.4.5. Исследование влияния коэффициента диффузии на порядок проведения эксперимента 63

2.3.4.6. Исследование особенностей безразмерной модели 65

2.4. Нахождение коэффициента диффузии с использованием математической модели 66

2.4.1. Особенности решения уравнения, связывающего время наступления максимального влагосодержания с коэффициентом диффузии 68

2.4.2. Использование безразмерной математической модели для нахождения времени наступления максимального влагосодержания 72

2.5. Выводы к главе 2 74

Глава 3. Анализ и оценка погрешности измерения коэффициента диффузии 75

3.1. Анализ причин и источников возникновения погрешностей 75

3.2. Оценка погрешности измерения коэффициента диффузии с использованием математической модели 80

3.2.1. Количественная оценка погрешности измерения 81

3.2.2. Оценка влияния погрешности измерения длительности первого этапа на результат измерения коэффициента диффузии 83

3.2.3. Оценка влияния погрешности установки датчика влагосодержания на результат измерения коэффициента диффузии 86

3.2.4. Оценка влияния погрешности измерения времени наступления максимального влагосодержания на результат измерения коэффициента диффузии 89

3.2.5. Оценка влияния абсолютной погрешности измерения времени наступления максимального влагосодержания на результат измерения коэффициента диффузии 91

3.2.6. Исследование погрешности измерения коэффициента диффузии... 99

3.3. Выводы к Главе 3 102

Глава 4. Метрологическая оптимизация процесса измерения 104

4.1. Оценка среднеквадратичного отклонения измеряемой величины 107

4.2. Эвристические критерии точности измерения коэффициента диффузии 112

4.2.1. Повышение информативности эксперимента 113

4.2.2. Улучшение наблюдаемости максимума влагосодержания 115

4.2.3. Сокращение времени проведения эксперимента 118

4.3. Многокритериальный параметрический синтез 123

4.4. Выводы к Главе 4 126

Глава 5. Экспериментальные исследования 128

5.1. Выбор геометрии образцов 128

5.2. Подготовка образцов 132

5.3. Разработка конструкции измерительного устройства 141

5.4. Проведение экспериментальных работ 143

5.4.1. Апробация метода измерения 147

5.4.2. Исследование влияния начального влагосодержания в образцах на результаты измерения коэффициента диффузии 151

5.4.3. Основной этап экспериментальных исследований 153

5.5. Выводы к Главе 5 154

Заключение 155

Список литературы 157

Приложения

Приложение 1. Вычислительные аспекты безразмерной математической модели 167

Приложение 2. Вывод уравнения, связывающего время наступления максимального влагосодержания с коэффициентом диффузии 171

Приложение 3. Эффективный алгоритм решения уравнения, связывающего коэффициент диффузии и время наступления максимального влагосодержания на втором этапе эксперимента 175

Приложение 4. Вывод частных производных в формуле для вычисления относительной погрешности измерения коэффициента диффузии 179

Приложение 5. Косвенная методика определения времени наступления максимального влагосодержания 214

Приложение 6. Экспериментальные данные при определении коэффициента диффузии влаги в образцах из древесных пород 23 5

Приложение 7. Акты о внедрении результатов диссертационной работы Толстых С.Г. «Разработка метода и устройства для измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах» 239 

Введение к работе:

Актуальность работы. Исследования в области тепло- и массопереноса продолжают оставаться актуальными, и это связано с общими проблемами повышения эффективности различных производств. Возрастают требования к достоверности инженерных расчетов, сопряженных с необходимостью дальнейшего накопления и систематизации справочных данных по физическим свойствам материалов, используемых в технологических процессах [1-34]. Знание физических характеристик материалов является необходимым для проведения инженерных расчетов и научных исследований процессов и аппаратов во многих технологиях [4,15,20,24].

Теоретическое и экспериментальное исследование тепло- и массопереноса в твердой фазе тесно связано с проблемами изучения закономерностей изменения свойств веществ в ходе физических процессов, в частности при сушке древесины [22,23].

Особую значимость в современных инженерных расчетах технологического оборудования уже давно приобрело математическое моделирование технологических процессов и аппаратов, и более того, оно стало на сегодняшний день стандартным подходом для конструктора, технолога, специалиста по контрольно-измерительным приборам и автоматизации технологических процессов [33,34].

Достоверность определения физических величин оказывает непосредственное влияние на адекватность математических моделей технологических процессов [29], и с появлением новых возможностей в измерительной технике появляются новые возможности в математическом моделировании и оптимизации.

Данная работа посвящена вопросам измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах (КПМ), К настоящему времени известен ряд методов, основанных на исследовании стационарных и нестационарных режимов диффузии влаги в различных материалах [17,18,25,27,36-40,42-44,68,69]. Для нахождения коэффициента диффузии влаги необходимо знать распределение влагосодержания в образце во времени и в пространстве. Как правило, рассматриваются совместные проблемы тепло- и массопереноса влаги в процессах сушки различных материалов. Основной упор при этом делается на исследование соответствующих процессов и аппаратов химической технологии, а не на разработку новых методик измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ. При измерении коэффициента диффузии одними из наиболее распространенных методов определения влагосодержания исследуемого материала являются весовые методы. Недостатками использования данных методов при измерении коэффициента диффузии являются:

1) сложность точного поддержания заданных граничных условий на внешних поверхностях образцов в ходе эксперимента;

2) большая длительность активной стадии эксперимента. Вышеперечисленные недостатки можно в значительной мере устранить, используя для измерения влагосодержания датчики локального влагосодержания. К основным трудностям применения вышеуказанных датчиков относятся:

1) сложность и длительность получения градуировочных характеристик датчиков локального влагосодержания;

2) необходимость получения очередной новой градуировочной характеристики при переходе к каждому новому материалу.

Таким образом, разработка метода измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ, свободного от перечисленных выше недостатков, является актуальной научно-технической задачей.

Была поставлена цель разработать метод и устройство, обеспечивающих повышение точности измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ за счет исключения проблем градуировки датчика влагосодержания и уменьшения длительности активной стадии эксперимента при одновременном снижении требований к точности поддержания граничных условий на внешних поверхностях образцов, в том числе за счет проведения метрологической оптимизации.

Математической основой измерений в данной работе является линейная математическая модель, описывающая процесс переноса влаги от одного, более влажного, к другому, менее влажному образцу в условиях их плотного соприкосновения.

Было проведено исследование математической модели, выявлены пути повышения точности измерений, проведена оптимизация параметров проведения эксперимента и разработано измерительное устройство. При апробации метода с использованием разработанного измерительного устройства были получены коэффициенты диффузии ряда древесных образцов.

Объектом исследования в данной работе явился процесс распространения влаги в КПМ при плотном соприкосновении образцов в изотермических условиях.

В качестве предмета исследования рассматривался метод измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ.

Цель настоящей работы заключается в разработке метода и устройства, обеспечивающих повышение точности измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ за счет исключения проблем градуировки датчика влагосодержания и уменьшения длительности активной стадии эксперимента при одновременном снижении требований к точности поддержания граничных условий на внешних поверхностях образцов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие основные задачи:

- разработка физической модели метода измерения, основанного на регистрации момента времени наступления экстремального влагосодержания в одном из двух образцов, приводимых в плотное соприкосновение;

- разработка математической модели процесса переноса влаги в образцах исследуемого КПМ при проведении эксперимента по определению коэффициента диффузии;

- разработка алгоритма вычисления коэффициента диффузии по времени наступления экстремального влагосодержания;

- выявление возможных причин возникновения погрешностей измерения и нахождение путей их уменьшения;

- проведение метрологической оптимизации и, как результат, выбор оптимальных параметров метода и устройства;

- проектирование и изготовление устройства для измерения коэффициента диффузии в КПМ;

- проведение экспериментальных исследований для апробации разрабатываемых метода и устройства.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана математическая модель двухэтапного процесса влагопереноса, пригодная для нахождения коэффициента диффузии влаги в КПМ по результатам эксперимента в соответствии с предлагаемым методом;

- разработан метод измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ, основанный на регистрации момента времени наступления экстремального влагосодержания в одном из образцов исследуемого материала, приводимого в плотное соприкосновение с другим образцом с повышенным или пониженным влагосодержанием на первом этапе проведения эксперимента, а затем - на втором этапе - с третьим образцом, имеющем влагосодержание, идентичное первоначальному влагосодержанию первого образца;

- поставлена и решена многокритериальная задача метрологической оптимизации по совокупности критериев точности измерения коэффициента диффузии в КПМ предлагаемым методом.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработано устройство для измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ, которое можно использовать в лабораторных и промышленных условиях;

- разработано программное обеспечение для проведения имитационных исследований в рамках разработанного метода и поиска новых его модификаций;

- с использованием разработанного метода для ряда древесных пород средней полосы России получены значения коэффициентов диффузии, которые могут быть использованы в научно-исследовательских и конструкционно-технологических расчетах;

- в сети Internet (http://www.asp.tstu.ru/rus/drevesina/index.htm) открыт интерактивный ресурс, предназначенный для обработки результатов эксперимента по измерению коэффициента диффузии влаги в КПМ в режиме on-line; созданы предпосылки к систематизации и накоплению информации по коэффициентам диффузии влаги в КПМ;

- метод измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ принят к использованию для исследования процессов деформации и старения древесины в ЗАО «Орловский часовой завод» (г. Орел);

- разработка использовалась на кафедре «Автоматизированные системы и приборы» при выполнении курсовых проектов по дисциплине «Автоматические аналитические приборы» (9-й семестр), а также при выполнении дипломных проектов по специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов».

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну диссертационного исследования:

- метод измерения коэффициента диффузии влаги в КПМ, основанный на использовании неградуированных датчиков влагосодержания (гальванопар) и обнаружении экстремума влагосодержания в одном из образцов;

- математическая модель и расчетный алгоритм, позволяющие производить косвенное измерение коэффициента диффузии влаги в КПМ;

- исследование погрешности измерения, сделанное по математической модели;

- постановку задачи метрологической оптимизации процесса измерений и результаты ее решения;

- результаты применения разработанного метода для измерения коэффициента диффузии влаги в образцах из древесины ряда пород средней полосы России.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

- на Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем", Тамбов, сентябрь 2000 г.;

- на Четвертой международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века», Тамбов, сентябрь 2001 г.;

- при проведении школы-семинара молодых ученых «Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции», Тамбов, сентябрь 2003 г.

- на Пятой международной теплофизической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством», Тамбов, сентябрь 2004 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации 239 страниц, включая 150 страниц основного текста, 72 страницы приложений, 122 наименования списка литературы, 95 рисунков и 20 таблиц.

Подобные работы
Гуляев Павел Валентинович
Разработка и исследование пьезоэлектрических устройств и методов управления ими в сканирующем туннельном микроскопе для изучения кластерных материалов
Осипов Константин Юрьевич
Разработка методов неразрушающего контроля строительных материалов, основанных на явлении механоэлектрических преобразований
Акулинин Игорь Николаевич
Разработка метода и автоматизированной системы контроля зависимости теплофизических характеристик полимерных материалов от температуры и давления
Мозгова Галина Владимировна
Разработка стационарного метода и устройства для определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига
Панов Анатолий Александрович
Разработка неразрушающего СВЧ метода и устройства контроля неоднородностей электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий металлов
Тышкевич Андрей Александрович
Струйно-барботажный метод и устройство измерения вязкости жидкостей
Налькин Максим Евгеньевич
Методы и средства измерений волновых параметров устройств на основе ненаправленных датчиков
Трепачев Сергей Александрович
Исследование и разработка методик аналитического контроля урановых материалов с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой
Коновалов Дмитрий Анатольевич
Разработка методики восстановления кривой деформационного упрочнения металлических материалов по диаграммам вдавливания конических инденторов
Тараканов Евгений Александрович
Исследование и разработка устройства контроля наличия посторонних металлических предметов в сырье и материалах горно-металлургического производства

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