Исследование акустических ... · толщине (54,4 мм). На малой толщине измерения проводились на 3 и 4 импульсах,

Контроль и диагностика в технологических процессах, сертификация,…

169

Исследование акустических свойств стали структуроскопом УС-13И Л.Г. Алексеева Муромский институт Владимирского государственного университета 602264, г. Муром, Владимирская обл., ул. Орловская, 23, E-mail: [email protected] В данной работе представлены результаты исследования качества термообработки стали

38ХС по относительному затуханию, получены корреляционные зависимости между относи-тельным затуханием и температурой отпуска

Исследованию подвергались образцы из стали 38ХС, подвергнутые различной термообра-ботке. Твердость образцов изменяется в диапазоне от 25HRCэ до 52HRCэ. Прибор УС-13И предназначен для косвенной относительной оценки структуры металлов и сплавов, сварных соединений, изделий из серых и высокопрочных чугунов и нержавеющих сталей по измерен-ным значениям времени распространения УЗК или отношениями амплитуд двух радиоимпуль-сов на входе прибора, при наличии у объекта контроля соответствующих функциональных или корреляционных зависимостей между структурой и измеряемыми величинами. Отношение ам-плитуд двух радиоимпульсов на входе прибора при этом характеризует относительное затуха-ние УЗК в контролируемом изделии.

Измерения проводились в два этапа: на малой толщине образцов (32 мм) и на основной толщине (54,4 мм). На малой толщине измерения проводились на 3 и 4 импульсах, на основной толщине – на 2 и 3.

На основе полученных результатов измерения построены графические зависимости отно-сительного затухания на малой и основной толщине от температуры отпуска. Данные зависи-мости приведены на рисунке.

Как видно из рисунка, однозначная зависимость относительного затухания от температуры отпуска наблюдается в диапазоне температур от 200 до 4000С, то есть с увеличением темпера-туры отпуска относительное затухание возрастает. При более высоких температурах отпуска такой зависимости не наблюдается. Контроль на различной толщине дает разницу лишь в абсо-лютных значениях измеряемой величины и не является принципиальным показателем.

Рассчитаны абсолютная и относительная погрешность измерения относительного затуха-

ния на разных толщинах. На основании регрессионного анализа получены корреляционные за-висимости между относительным затуханием и температурой отпуска.

Анализируя результаты исследований, можно предложить контролировать качество тер-мообработки стали 38ХС в диапазоне температур от 200 до 4000С по относительному затуха-нию, при повышении температуры отпуска однозначность зависимости относительного затуха-ния от температуры отпуска почти нарушается и в данном диапазоне прямой зависимости не имеется.

Литература

1. Кондратьев А.И., Иванов А.Н., Химухин С.Н. Влияние термообработки на акустические ха-рактеристики материалов. - //Дефектоскопия. – 2006. - №3. – С. 28 – 37

Наука и образование в развитии промышленной, социальной и … 170

2. В. Н. Ли, А. И. Кондратьев, Е. В. Муромцева, С. Н. Химухин Контроль микроструктуры кон-тактного провода акустическим методом. - //Дефектоскопия. – 2003. - №12. - С. 39 – 48. 3. Муравьев В. В., Бояркин Е. В.Неразрушающий контроль структурно-механического состава рельсов текущего производства по скорости ультразвуковых волн. //Дефектоскопия. – 2003. - №3. - С. 24 – 31.

Контроль механических свойств чугуна неразрушающим методом Л.Г. Алексеева Муромский институт Владимирского государственного университета 602264, г. Муром, Владимирская обл., ул. Орловская, 23, E-mail: [email protected] Цель работы – исследование статистической взаимосвязи между механическими свойства-

ми, химическим составом и результатами акустического контроля чугуна СЧ-20. В данной ра-боте исследовалась возможность замены определения разрушающими методами механических характеристик и химического состава чугуна СЧ20 на неразрушающий метод.

Исследованию подвергнута партия плавок чугуна СЧ-20 ГОСТ 1412-85, объемом штукN 128= проб.

Механические характеристики (временное сопротивление при растяжении и твердость) и хи-мический состав проб чугуна СЧ20 исследовались одновременно разрушающими и неразрушаю-щими методами контроля. Временное сопротивление при растяжении вσ измерялось согласно ГОСТ 27208-87. Измерение твердости по Бринеллю НВ осуществлялось по ГОСТ 9012-59.

Акустическая характеристика чугуна (скорость продольной волны) измерялась ультразву-ковым дефектоскоп УД2-12 при помощи прямого преобразователя частотой 2,5 МГц (П111-2,5-К12-002). Измеряемым параметром является время распространения упругой волны, по кото-рому, зная высоту образца и время распространения волны, определяется скорость продольной волны при известной частоте колебаний.

Исследовались следующие зависимости: - зависимость между временным сопротивления при растяжении вσ чугуна СЧ-20 и скоро-

сти продольной волны lC ; - зависимость между твердостью НВ чугуна СЧ-20 и скоростью продольной волны lC ; - зависимость между содержанием в чугуне СЧ-20 кремния Si и скорости продольной

волны lC ; -зависимость между содержанием в чугуне СЧ-20 углерода С и скорости продольной вол-

ны lC ; - зависимость между содержанием в чугуне СЧ-20 кремния Si и скорости продольной

волны lC ; - зависимость между механическими характеристиками и химическим составом чугуна. По полученным данным разрушающего и акустического контроля производилась стати-

стическая обработка результатов измерений по следующим этапам. 1. Построение корреляционных зависимостей и коэффициентов парной корреляции. 2. Проверка однородности базовой выборки временного сопротивления и твердости по

критерию однородности 2кχ . Расчетный критерий однородности для обеих механических ха-

рактеристик получился меньше критического критерия однородности ( 22kр χχ < ), поэтому ги-

потеза об однородности выборки принимается. 3 Проверка согласия опытного распределения с теоретическим, Наиболее часто проверя-

ется предположение о нормальности распределения генеральной совокупности, поскольку большинство статистических процедур ориентировано на выборки, полученные из нормально распределенной генеральной совокупности. Для оценки соответствия имеющихся эксперимен-


171

тальных данных механических характеристик чугуна СЧ-20 нормальному закону распределе-ния построены гистограммы распределения, которые соответствуют нормальному распределе-нию. На основании полученных гистограмм можно сделать вывод, что распределение опытных значений временного сопротивления при растяжении и твердости согласуются с теоретическим

4 Вывод уравнений регрессии. На основе проведенных исследований, корреляционного и статистического анализа можно

сделать следующие выводы. 1. Контролировать механические характеристики чугуна СЧ-20 можно при помощи ульт-

развукового дефектоскопа УД2-12 по скорости прохождения акустической волны через обра-зец. Корреляционная и статистическая обработка показали, что связь между механическими характеристиками и скоростью распространения ультразвуковой волны значима, полученные коэффициенты в уравнениях регрессии оказались достоверными, а сами уравнения регрессии являются адекватными.

2. Контроль химического состава по скорости ультразвуковой волны и коэрцитивной силе невозможен, так как полученные уравнения регрессии являются неадекватными, а коэффици-енты в них недостоверными.

3. Контроль механическими характеристиками по химическому состава невозможен, так как полученные уравнения регрессии являются неадекватными, а коэффициенты в них недос-товерными.


1. Тодоров Р.П. Структура и свойства ковкого чугуна. – М.: Металлургия, 1974. – 160 с. 2.Воронкова Л.В. Ультразвуковой контроль отливок из чугуна. // В мире неразрушающего кон-троля. – 2003. – № 1. – С. 24-27. 3.Четырикин Е.М. Калихман И.Л. Вероятность и статистика.- М.: Финансы и статистика, 1982.- 319с.

Применение системы GENIE для автоматизации биотехнологических процессов Д.С. Виноградов, С.А. Понкратова, В.М. Емельянов Казанский государственный технологический университет, Казань, ул. К.Маркса 68, E-mail: [email protected] SCADA-системы существенно упрощают процесс автоматизации биотехнологических

процессов. Одной из наиболее распространенных и доступных систем является система Genie фирмы Advantech. Данный продукт предназначен для использования с микропроцессорными модулями ADAM, которые позволяют работать с такими основными характеристиками как уровень растворенного кислорода, уровень pH и температура.

В большинстве случаев разработка и отладка той или иной управляющей SCADA-программы биотехнологического процесса возможна только при наличии всех необходимых микропроцессорных модулей, используемых для приема и передачи данных в лабораторном комплексе. Иными словами разработка и отладка SCADA-программы в среде GENIE возможна только при наличии реального аппаратного комплекса. На практике это вызывает ряд не-удобств и ограничений по использованию SCADA-системы.

Потребность в подобном программно-аппаратном комплексе была продиктована двумя ос-новными причинами.

Во-первых, возникла потребность в решении, которое бы позволило вести проектирование, разработку и первичную отладку SCADA-программ и алгоритмов, не имея в наличии реального аппаратного комплекса. Такое решение позволит протестировать и отладить алгоритмы в пер-вую очередь на виртуальных моделях лабораторных комплексов. Это, в свою очередь, приведет к сокращению времени разработки управляющей системы, значительному уменьшению коли-чества ошибок, минимизации или полному исключению побочных финансовых затрат на обо-рудование.


Во-вторых, возник проект о создании лабораторного тренажера для учащихся и сотрудни-ков любого уровня и квалификации. Данный тренажер может быть использован на занятиях для отработки навыков SCADA-программирования у студентов или для обучения нового со-трудника работе с лабораторным комплексом без риска повредить оборудование или нарушить процесс.

Программная часть данного программно-аппаратного эмулятора выполнена в среде Delphi. Данный эмулятор состоит из трех основных частей: ядро системы, эмулятор микропроцессор-ных модулей ADAM и эмулятор устройств лабораторного комплекса.

Ядро системы является основой функционирования всего комплекса, в котором заложены базовые низкоуровневые функции.

Эмулятор модулей имитирует модули ADAM, подключенные через определенный порт компьютера. В настоящий момент система работает только с последовательным (COM) портом. Поддержка других портов может быть внедрена по мере необходимости. В эмулятор модулей заложены протокол работы и виртуальные модели всех необходимых модулей. Каждая модель представляет собой независимый объект (класс), что делает систему легко-расширяемой и масштабируемой.

Проектирование виртуальной модели и конфигурация эмулятора осуществляется через удобный пользовательский интерфейс, с которым может работать человек практически любой квалификации, обладающий минимальными базовыми знаниями.

С теоретический точки зрения уровень SCADA-системы не является составляющей ча-стью непосредственно самого эмулятора. Так как сам эмулятор изначально рассчитан на ис-пользование в комплексе со SCADA-системой, то с практической и идеологической точек зре-ния можно смело выделить данный уровень в общей иерархии системы для более адекватного восприятия комплекса.

На данном уровне располагается SCADA-система, в которой будет разрабатываться управ-ляющая SCADA-программа для эмулятора. Взаимодействие данного уровня с эмулятором осу-ществляется посредством аппаратного уровня, а именно двух последовательных (COM-) портов (интерфейс RS-232). В дальнейшем при необходимости программа может быть переключена на реально существующий лабораторный комплекс.

Современный подход к контролю технического состояния ГТД по акустическим параметрам измеренным на срезе сопла В.Ю. Виноградов, А.А. Сайфуллин, Р.М. Хазиев, Н.В. Виноградова, О.Т. Джанибеков Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева Эффективность воздушного транспорта определяется главным образом безопасностью по-

летов. В практике эксплуатации ГТД встречаются ряд дефектов проявление которых на горячих режимах способно вызвать серьезные разрушения элементов ГВТ ГТД, по этому диагностиро-вание на холодном режиме по акустических характеристикам при небольших скоростях ставит своей целью выявление тех дефектов которые не могут быть определены на горячих режимах прогары на стадии зарождения, которые способны привести к заклиниванию двигателя [1].

В последнее время получили широкое распространение методы с использованием матема-тической модели ГТД, но эти методы не достаточно точны так как он обобщает индивидуаль-ные характеристики двигателя. Наиболее перспективным методом для оценки технического состояния ГТД по уровню термогазодинамических параметров который является в настоящее время одним из основных методов оценки годности двигателя в процессе серийных сдаточно-контрольных испытаний и в последнее время находит широкое распространение для оценки состояния по мере выработки ресурса как в процессе длительных ресурсных испытаний, так и в эксплуатации [1,2,].

Эффективность оценки состояния ГТД по уровню термогазодинамических параметров оп-ределяется: уровнем точности контрольно-измерительной аппаратуры, используемой для изме-рения этих параметров, достоверностью технических норм на допускаемые отклонения ГТД


173

параметров, под которой понимается адекватностью взаимосвязи граничных значений техниче-ских норм на параметры с их критическими значениями, при которых происходит недопусти-мые изменение эксплуатационных свойств двигателя.

Методы оценки состояния ГТД по уровню термогазодинамических параметров основаны на сравнении последних с техническими нормами на допустимые отклонения этих параметров или на сравнение темпов изменения параметров по мере наработки ресурса. Метод основан на оценке характера изменения параметра.

Метод требует дискретного или непрерывного измерения параметров по времени. Признаком изменения состояния в данном случае является момент времени t, который соответствует началу изменения параметров отличного от типового протекания. Начало изменения состояния в данном случае определяется моментом времени t, и скоростью изменения параметров (величина производ-ной дРj/дt). Информативность такого метода оценки состояния существенно повышается при ис-пользовании одновременно нескольких параметров взаимосвязанных между собой.

Суть предлагаемого метода экспресс диагностики технического состояния ГТД в условиях эксплуатации заключается в том, что на каждый двигатель имеется паспортная дискета в кото-рой записаны все контрольные характеристики ГТД и допуски и на основании предлагаемых результатов исследований на первом этапе проводится предварительный анализ технического состояния ГТД. На этой стадии у контролируемого двигателя изменяется спектры звуковых давлений за кромкой сопла двигателя по всей его окружности. После сравнения с эталонными спектрами и вычисления относительного параметра шума вычисляется ориентировочная пло-щадь дефекта и неравномерность параметра статического давления. Если неравномерность па-раметра Рст выходит за пределы допустимой, осуществляется переход ко второму этапу диагно-стирования, на котором производится измерения газодинамических характеристик газового потока и сравнение их с эталонными.


1.Биргер И.А.Техническая диагностика М.: Машиностроение, 1978.-237с. 2.Дорофеев В.М. Испытания ВРД.-М.: Государственное научно-техническое издательство, 1961, 220с.

Определение технического состояния подшипников качения по высокочастотнойвибрации Р.Ш. Галимзянов, В.В. Шаров Казанский Государственный Энергетический Университет, г. Казань ул. Красносельская,51 E-mail: [email protected] В настоящее время контроль, анализ и решение проблем, связанных с подшипниками ка-

чения, имеют в современной промышленности большое значение. Повышение надежности подшипников качения электродвигателей электростанций и уменьшение числа отказов их в ус-ловиях эксплуатации могут быть решены за счет своевременной диагностики и ремонта под-шипников качения в зависимости от его фактического технического состояния. В качестве па-раметров, которые характеризуют техническое состояние подшипников качения, на практике используются температура, состояние смазки, момент трения, а также виброакустические ха-рактеристики.

Зарождающиеся дефекты подшипников качения роторных машин с высокой достоверно-стью обнаруживаются по высокочастотной вибрации подшипников, свойства которой сущест-венно меняются под действием даже незначительных колебательных сил.

Как следствие, системы выходного контроля подшипников качения строятся из расчета на обнаружение, прежде всего средних дефектов изготовления и контролируют среднечастотную вибрацию подшипника, а системы аварийной защиты рассчитываются на обнаружение сильных дефектов и контролируют низкочастотную вибрацию машины в целом. Что касается систем


глубокой диагностики подшипников в процессе эксплуатации машин, то они в обязательном порядке используют методы анализа высокочастотной вибрации, а, при необходимости, кон-тролируют и среднечастотную, и низкочастотную вибрацию подшипниковых узлов.

Среди различных методов контроля состояния подшипников качения по высокочастотной вибрации можно выделить основные, различающиеся по своей физической основе. Первый включает в себя контроль мощности высокочастотной вибрации подшипника, второй - анализ формы высокочастотной вибрации, возбуждаемой короткими ударными импульсами [1].

Простейшая методика периодического контроля состояния подшипников качения основана на методе ударных импульсов.

Анализ формы сигнала высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударным импульсом, показывает, что он весьма непродолжителен во времени (быстро затухает), а важнейшим пока-зателем является отношение пикового значения к среднеквадратичному значению высокочас-тотной вибрации (величина пик-фактора). Существует большое количество методик определе-ния диагностического параметра дефектов (пик-фактор, к-фактор, крест-фактор), отличающих-ся разным способом определения пиковых и среднеквадратичных значений сигнала и разной степенью учета этих значений в окончательном диагностическом параметре, но все эти отличия не меняют физических основ метода.

Преимущества метода ударных импульсов определяются, прежде всего, отсутствием тре-бований к периодичности следования ударных импульсов. Это позволяет обнаруживать, с од-ной стороны, зарождающиеся дефекты смазки, при которых разрывы масляной пленки проис-ходят редко и нерегулярно, а, с другой стороны, механические дефекты подшипника на неста-бильных частотах вращения, причем за короткое время, определяемое 2-3 оборотами ротора.

В практической диагностике метод ударных импульсов используется не автономно, а в со-вокупности с методом контроля мощности высокочастотной вибрации.

Более высокими возможностями обладает метод контроля состояния подшипников каче-ния по спектру огибающей высокочастотной случайной вибрации, возбуждаемой силами тре-ния в масляной пленке подшипника, а также ударными импульсами при ее разрывах. Спектр огибающей дает информацию о периодических изменениях мощности высокочастотной вибра-ции в той полосе частот, которая предварительно выделяется из сигнала вибрации полосовым фильтром.

Несмотря на определенную сложность измерения спектра огибающей высокочастотной случайной вибрации по сравнению с измерениями, выполняемыми по методу ударных импуль-сов, реализация всех возможностей метода огибающей позволяет решать много важных задач диагностики подшипников качения. Во-первых, метод огибающей использует результаты из-мерения вибрации в более низкой области частот, чем метод ударных импульсов и, как следст-вие, точка контроля вибрации может быть несколько удалена от неподвижного кольца под-шипника. Во-вторых, спектральный анализ огибающей позволяет обнаруживать в подшипнике качения зарождающиеся дефекты не только поверхностей качения, но и скольжения, в частно-сти сепаратора. В-третьих, появляется возможность диагностировать низкооборотные подшип-ники, в которых даже при нормальной работе возникают ударные импульсы. Диагностика в этом случае возможна потому, что в дефектных подшипниках периодически изменяется плот-ность ударных импульсов, а, следовательно, и мощность высокочастотной вибрации.

Рассмотренные выше методы контроля состояния подшипников качения реализованы во многих системах диагностики подшипников качения.


1. Иноземцев Е.К. Подшипниковые узлы электродвигателей, эксплуатирующихся на электро-станциях – М.: Энергопресс, 2007.


175

Диагностика нейронных сетей, реализующих математическое преобразование информации С.Н. Данилин, М.В Макаров, С.А.Щаников Муромский институт(филиал) ГОУ ВПО « Владимирский государственный университет» 602264, г. Муром, Владимирской обл., ул. Орловская, 23 E-mail: [email protected]

Нейронные сети как частный случай информационных систем относятся к устройствам,

определение отказов которых является сложной задачей, поскольку большинство отказов про-является в увеличении ошибки при передаче или обработке информации [1]. Одной из важней-ших проблем технической диагностики является разработка методов и алгоритмов построения цифровых устройств, которые позволяли бы в короткий срок обнаружить и локализовать неис-правность с точностью до определения функционального элемента.

Диагностические алгоритмы по способу реализации делятся на программные и аппарат-ные. Алгоритм локализации отказов нейронов в нейронных сетях основывается на исследова-нии графа состояния сети. Данный алгоритм следует отнести к программным методам техниче-ской диагностики, так как он требует запоминания графа состояний исправной сети, а также хранения текущей информации о графе состояния с отказом [2].

Использование алгоритма локализации отказов нейронной сети рассмотрим на примере диагностирования нейронной сети преобразования систем координат, а также нейронных се-

тей, реализующих преобразование информации согласно выражениям x

y 1= и xy = . Первая

сеть содержит семь нейронов в первом слое, и два - во втором. Две другие сети реализованы с семью нейронами в первом и одним нейроном во втором слое, при заданном качестве функ-ционирования.

Алгоритм локализации отказов в каждой нейронной сети основан на построении и исследо-вании графа состояний сети с отказами и позволяет локализовывать с точностью до нейрона от-казы любой кратности. Отказ нейронов может произойти в обоих слоях, (это вызывает несовпа-дение узлов последующих уровней), поэтому одновременное сравнение и выявление всех несов-павших узлов одного пути может привести к тому, что мы примем за отказ его последствия.

Алгоритм определения отказавших нейронов включает в себя следующие этапы: 1) на вход нейронной сети последовательно подаются значения входной переменной; 2) для каждого входного значения запоминаются выходные значения всех нейронов (стро-

ится путь на графе состояний); 3) сравнивается полученное выходное значение с корнем соответствующего пути (пути с

той же вершиной) заданного графа состояний, если корни совпали и подано не последнее вход-ное значение, переходим к п.1, иначе к п.4.;

4) сравниваем от вершины к корню узлы обоих путей графа состояний; 5) первая, не совпавшая позиция, укажет номер отказавшего нейрона. Если подавалось не

последнее входное значение переходим к п.1, иначе к п.6; 6) преобразуем ошибочные пути в безошибочные и переходим к п.1. Процесс диагностирования ведется до тех пор, пока не будут выявлены все отказавшие

нейроны. Применение изложенной методики диагностирования позволяет проверять качество функционирования аппаратного обеспечения, на котором реализуются нейронные сети, и явля-ется перспективным направлением решения задач в рассмотренной области.


1. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. – M.: ИПРЖР, 2000. – 416 с. 2. Потапов В.И., Потапов И.В. Теоретические основы диагностики и оптимизации надежности искусственных нейронных сетей: Монография. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. – 152 с.


Автоматизация неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов на основе газодинамического метода Е.В. Клычева ГОУ ВПО «Ковровская государственная академия имени В.А. Дегтярева» 601910, Владимирская обл., г. Ковров, ул. Маяковского 19, E-mail: [email protected] В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений определения физико-

механических свойств деталей из пористых материалов является автоматизированный нераз-рушающий контроль качества изделий.

В машиностроении используются различные методы неразрушающего контроля, одним из которых является газодинамический метод. Для реализации данного метода в Ковровской го-сударственной технологической академии им. В.А. Дегтярева разработан способ автоматизиро-ванного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов, осно-ванный на исследовании зависимостей свойств от особенностей течения газа через контроли-руемый материал. Для автоматизации данного способа первостепенной задачей является моде-лирование процесса течения газа.

При фильтрации газа в пористой среде различают два основных вида течений: молекуляр-ное и ламинарное [1, 2]. Поскольку переход от одного вида течения к другому не имеет выра-женных границ, то в пористой среде рассматривают переходный режим течения от молекуляр-ного к ламинарному режиму. Каждый режим течения в пористой среде обладает характерными особенностями как по взаимодействию частиц газа с поверхностью пор, так и по взаимодейст-вию частиц газа друг с другом. Молекулярное или кнудсеновское течение газов в пористой среде – это течение настолько разреженного газа, что соударения его молекул между собой крайне редки по сравнению с ударами о стенки пор. Основными уравнениями, характеризую-щими процесс, являются [3]: уравнение Фика для нестационарного потока газа, уравнение Лей-бензона для напорной фильтрации газа. Режим ламинарного течения газов в порах характери-зуется линейной зависимостью скорости фильтрации от градиента давления в пористой среде. Ламинарный процесс течения газа описывается уравнением Дарси, уравнением Фика [3]. Большинство пористых материалов имеют поры разных размеров. Это приводит к тому, что процесс перехода от кнудсеновского к ламинарному режиму течения газа занимает некоторый промежуток времени, что затрудняет с достаточно высокой точностью определить точку пере-хода от одного режима к другому. Таким образом, задача определения величин времени и дав-ления перехода всех пор материала с кнудсеновского на ламинарный режим течения газа явля-ется актуальной.

Для решения данной задачи разработана программа в среде Borland C, определяющая точ-ку перехода и параметры пористости материала, а именно:

– коэффициент растворимости:

)()(2

22cиa

cиcиг ttvPF

PPltVK−−

=µ , (1)

– коэффициент фильтрации:

)()(2

2cиa

cииф ttFvP

PPlVK−−

=µ , (2)

– коэффициент пористости:

)()(2

2cиа

cиcи

ttPFPPltVП

−−

= , (3)

– коэффициент газопроницаемости:

)()(2

2cиa

cиио ttFP

PPlVK−−

=µ , (4)

где l – линейный размер в направлении фильтрации, µ – коэффициент динамической вязко-сти, иV – номинальный объем вакуумированной полости, F – площадь дна полости, v – коэф-


177

фициент кинематической вязкости газа, aP – атмосферное давление, иP , иt – соответственно текущее значение давления и времени, cP , ct – соответственно установившееся значение давле-ния и времени.

На начальном этапе работы приложения необходимо выбрать файл с экспериментальными данными, снятыми с показания датчиков давления измерительного устройства, а также харак-теристики устройства и контролируемого материала. В результате автоматической обработки данных отображается графическая зависимость изменения давления газа в устройстве от вре-мени, по которой определяются параметры точки перехода. Для определения параметров по-ристости пользователь должен указать тип пор, присущий исследуемому образцу и выполнить расчет параметров, характеризующих физико-механические свойства материала (рис.1).

Рис.1. Окно программы определения точки перехода и параметров пористости материала

Таким образом, разработанное программное обеспечение позволит в автоматизированном режиме контролировать процесс перехода от кнудсеновского режима течения газа к ламинар-ному, что повысит точность определения параметров пористости материалов и, соответствен-но, их физико-механических свойств.


1. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М., «Машиностроение», 1976 2. Пористые проницаемые материалы: Справ. Изд./ Под ред. Белова С.В. М.: Металлургия, 1987 3.Матросова Ю.Н., Матросов А.Е. Совершенствование методов автоматизированного неразру-шающего контроля физико-механических свойств пористых материалов: Монография/ Под ред. Ю.З. Житникова. – Ковров: КГТА, 2004.

Построение робастного регулятора давления воздуха перед горелками котлоагрегата С.А. Копылов Филиал ООО «КЭР-Инжиниринг»- «КЭР-Автоматика», 420029 Казань, ул. Сибирский тракт, 34, E-mail: [email protected] Целью проведения исследований являлось решение задачи синтеза робастного регулятора

давления воздуха перед горелками котлоагрегата, обеспечивающего устойчивость объекта


управления не только с заданными параметрами, но и с параметрами, содержащими неопреде-ленность. Данная задача весьма актуальна на сегодняшний день. Это связано с тем, что на практике в большинстве случаев для управления теплоэнергетическими объектами использует-ся ПИД регулятор. Его настройка происходит на объект управления при номинальных пара-метрах, несмотря на то, что фактически все объекты управления функционируют в условиях параметрической неопределенности. Такой подход приводит к тому что с изменением режимов работы объекта управления, течением времени и т.д. параметры объекта изменяются, а следо-вательно и ухудшается качество работы системы регулирования в плоть до перехода в неустой-чивое состояние. Рассматривается замкнутая система автоматического управления, представ-ленная на рис.1, где Wр(s) - передаточная функция регулятора, Wоб(s) - передаточная функция объекта управления, х(t) - внешнее воздействие, и(t) - управление, y(t) - управляемая величина, ε(t) - ошибка регулирования.

Рис. 1. Структурная схема системы управления

Анализ [1] показал, что объект управления может быть представлен в виде:

,1

)(об +=

TsKsW (1)

где К – коэффициент усиления ((кгс/м2)/%), Т – постоянная времени (cек). В качестве объектов исследования были выбраны 6 прямоточных газомазутных котлов

ПК–47 Заинской ГРЭС. Определение передаточной функции объекта управления происходило на основе обработки семейства разгонных характеристик, полученных во время пуско-наладочных работ. В результате проведенных исследований объект управления может быть представлен в виде:

,2,1)13,4(

3,2)4,3()()()()()(

22

11об sssPsP

sPsPsW++

+=

∆+∆+

= (2)

где P1(s) и P2(s) – полиномы, содержащие номинальные значения параметров, а ∆P1(s) и ∆P2(s)– полиномы, содержащие неопределенность. Синтез осуществлялся на основе модального мето-да, в основе которого лежит аппарат передаточных функций. Параметры регуляторы вычисля-лись таким образом, чтобы обеспечить компромисс между робастными свойствами системы регулирования и качеством управления. В частности коэффициенты регулятора определялись на основе минимизации улучшенной квадратичной интегральной оценки системы регулирова-ния. В результате проведенных исследований был синтезирован регулятор вида:

.38,0

142,5)( 23

2

sssssWр +++

= (3)

Переходной процесс при внешнем воздействии в виде единичного скачка для объекта (1) и регулятора (3) представлен на рис. 2.

Рис.2. Переходной процесс объекта и регулятора при единичном скачке


179

Переходной процесс носит устойчивый затухающий характер, при этом перегулирование составляет 11%.


1. Демченко В.А. Автоматизация и моделирование технологических процессов ТЭС и АЭС, Одесса, «Астропринт», 2001. 305 с.

Повышение метрологической надежности средств измерений с автоматической коррекцией погрешностей на базе вспомогательных измерений П.Г. Королев, Е.О. Грубо, Р.А. Тимиргалиев Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова - Ленина, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5, E-mail: [email protected] Одним из основных показателей качества средств измерений (СИ) является метрологиче-

ская надежность (МН) – свойство СИ сохранять во времени метрологические характеристики (МХ) в пределах установленных норм. МН определяется характером и темпом изменения нор-мируемых МХ. Сведения о МН СИ необходимы для правильной организации его метрологиче-ского обслуживания, а также назначения сроков очередной поверки.

По мнению авторов [1], единственным практическим способом обеспечения долговремен-ной метрологической работоспособности средств измерений является обеспечение при выпуске достаточного «запаса на старение», т.е. выпуск СИ с фактической погрешностью, существенно меньшей, чем нормируемый ее предел. Постепенное расходование этого запаса и обеспечивает прибору долговременную метрологическую работоспособность. Поэтому, чем выше показатели МН (вероятность работы без метрологического отказа, средняя наработка на метрологический отказ, интенсивность отказов и т.д.), тем реже приходится поверять СИ, тем меньше риск ис-пользования неисправного прибора в течение межповерочного интервала (МПИ). Из сказанно-го следует, что увеличение МН связано с повышением точности измерений. При этом точность измерений должна соблюдаться в практических условиях эксплуатации при значительных из-менениях температуры, влажности и давления, в течение длительного времени.

Так как резервы увеличения МН СИ за счет улучшения качества ее элементов во многом исчерпаны, то наиболее перспективными методами сохранения требуемой точности в период между поверками являются структурно-алгоритмические методы. Структурно - алгоритмиче-ские методы повышения точности основаны на введении структурной и (или) временной избы-точности, т.е. на введении дополнительных средств измерений и (или) выполнении дополни-тельных измерений, результаты которых обрабатываются по специальным алгоритмам. С по-мощью этих методов можно получить информацию не только об измеряемой величине, но и о погрешностях, возникающих в процессе измерения, и исключить эти погрешности из результа-та измерения. Это дает возможность получения высокоточных результатов измерений без улучшения метрологических характеристик исходных СИ.

Для большинства электронных СИ погрешность существенно проявляется в двух резко различных областях спектра – низкочастотной и высокочастотной, которые практически и оп-ределяют коррелированные (систематические погрешности и медленно меняющиеся прогрес-сирующие погрешности, обусловленные временным дрейфом параметров СИ) и некоррелиро-ванные составляющие (случайные погрешности, обусловленные влиянием собственных высо-кочастотных шумов).

вых вых вых∆ = ∆ + ∆& , где, вых∆ - коррелированная составляющая погрешности с коэффициентом корреляции

2 1( , ) 1r t t∆ ≈ , 2 1t t T− ≤ , вых∆& - некоррелированная составляющая погрешности, с коэффициентом корреляции 2 1( , ) 0r t t∆ ≈& , где 1 2t t τ− = . T Nτ= , T – время необходимое для выполнения всех N


вспомогательных операций, осуществляемых СИ в процессе коррекции, τ - время одного пре-образования.

Коррелированные составляющие погрешности СИ уменьшаются коррекцией. Для умень-шения коррелированной составляющей погрешности скорректированного СИ следует повы-шать быстродействие системы коррекции и уменьшать длительность режима измерения.

В ряде случаев возможность использования методов автоматической коррекции ограничи-вается ростом некоррелированной составляющей результирующей погрешности [2]. Влияние некоррелированной составляющей погрешности СИ в режиме коррекции усиливается, ее дис-персия увеличивается вдвое. Увеличение дисперсии можно снизить статистической обработкой погрешности в режиме коррекции.

Применение статистической обработки погрешности в режиме коррекции ограничено дву-мя обстоятельствами. С одной стороны, с увеличением времени коррекции, затрачиваемым на выполнение статистических измерений, возрастает динамическая погрешность. С другой сто-роны, погрешность вых∆ является нестационарной случайной функцией времени, поэтому если число N выбрано таким, что в интервале T Nτ= нарушено условие 2 1( , ) 1r t t∆ ≈ , то функция

вых∆ в указанном интервале может изменяться по различным законам, например, монотонно возрастать. При этом коррелированная составляющая погрешности, полученная в результате усреднения, может быть больше, чем такая же составляющая при единичном измерении, сде-ланном в начале интервала T.

Случайная составляющая результирующей погрешности, точнее ее СКО, и, иногда, вид за-кона распределения обнаруживают зависимость от некоторых влияющих величин, прежде все-го температуры и напряжения питания. Для повышения достоверности системы коррекции, а так же метрологической надежности СИ необходимо контролировать не только систематиче-скую, но и случайную составляющую погрешности, а так же иметь возможность оценить влияющие на нее факторы. С этой целью предлагается ввести дополнительные измерительные каналы в наиболее ответственных «контрольных» узлах схемы. В результате получится комби-нированная система коррекции, основанная на двух методах: образцовых сигналов и вспомога-тельных измерений (рис 1). Реализация такой системы коррекции под управлением микрокон-троллера с функцией ведения архива вспомогательных измерений позволит: контролировать МХ СИ в течение всего срока службы с учетом влияния внешних факторов непосредственно на месте эксплуатации; повысить точность определения поправок, вносимых в результат измере-ния системой коррекции; установить какие функциональные блоки вносят основной вклад в результирующую погрешность, и выявить причины возникновения погрешности; строить ма-тематические модели изменения МХ во времени, оценивать скорость изменения МХ, а также прогнозировать время наступления метрологического отказа.

ИКНП

1нп2нпnнп

1к2к3к

4к

1U2UnU

x

1к2к3к4к

Рис. 1. Структурная схема

К1 и К2 – коммутаторы, ПИП – первичный измерительный преобразователь, НП - норми-рующий преобразователь, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ВУ – вычислительное


181

устройство, УОС – устройство образцовых сигналов, ИП – источник питания, ИКТ - измери-тельный канал температуры.


1. Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец В.С. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990 2. Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М.: Изд-во стандартов, 1972

Разработка и создание систем мониторинга технологических процессов инсинерации П.Г. Королев, Ю.А. Иванова, И.В. Юнгин Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им.В.И.Ульянова (Ленина) Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5, E-mail: [email protected] Доклад посвящен анализу особенностей процессов разработки и создания систем монито-

ринга технологических и экологических параметров техпроцесса инсинерации. Существует принцип презумпции опасности для окружающей среды любой техногенной деятельности че-ловека, в частности, это относится к процессу термического уничтожения промышленных и бытовых отходов – инсинерации.

При сжигании любых видов топлива в процессе горения образуются вредные вещества ор-ганического и неорганического происхождения, концентрация которых в продуктах сгорания в значительной мере зависит от организации процесса горения. Инсинерация представляет собой любой процесс, который использует горение для преобразования отходов (промышленных или бытовых) в меньшие по объему, менее токсичные, менее ядовитые материалы. Высокотемпера-турное сжигание отходов сопровождается эмиссией вредных и токсических веществ в воздух. Эти соединения могут присутствовать в сжигаемых отходах, и образоваться в процессе горе-ния. Количество вредных веществ органического происхождения в уходящих газах может быть сведено к минимуму рациональной организацией процесса горения.

Разработка и создание измерительных и управляющих систем для данных техпроцессов осуществляется под влиянием некоторых специфических обстоятельств. Технологический про-цесс инсинерации характеризуется нестабильными во времени параметрами. Это зависит от изменений состава и теплотворности топлива и отходов, износом технологического оборудова-ния, изменениями температуры воздуха. Процессы сжигания топлива в энергетических уста-новках изучены, являются более прогнозируемыми, чем в инсинераторах и описываются сте-хиометрическими уравнениями.

На рис. 1 представлены зависимости концентраций оксида и диоксида углерода, остаточ-ного кислорода и оксида азота от коэффициента избытка воздуха α.

Рис.1. Зависимости концентраций газов от коэффициента избытка воздуха


На практике количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, должно быть нескольким больше теоретического, рассчитанного по стехиометрическим уравнениям, так как на практическом сжигании топлива не все количество теоретически необходимого воздуха ис-пользуется для горения; часть его не участвует в реакции горения результате недостаточного перемешивания воздуха с топливом [1]. Для управления технологическим процессом реализу-ется алгоритм, изменяющий два параметра: расход воздуха на входе камеры сгорания и расход топлива. В зависимости от того, какой измеряемый параметр превысил заданное значение, вы-рабатывается соответствующее управляющее воздействие. Управляющее воздействие рассчи-тывается в виде приращения, которое прибавляется к установленному значению и затем преоб-разуется в унифицированный сигнал, поступающий на исполнительный механизм. Работа алго-ритма начинается с измерения значений концентраций кислорода и оксида углерода на соот-ветствие заданным пределам. Если значения находятся в заданных пределах, действие алго-ритма заканчивается, т.к. управляющих воздействий не требуется. Если же одно из значений выходит за допустимые границы, алгоритм должен изменить управляемые параметры. Если концентрация оксида углерода превышает максимально допустимое значение, это означает, что имеет место химический недожог вследствие недостатка кислорода. В этом случае происходит увеличение подачи воздуха на изначально рассчитанное и заданное значение ∆. Если концен-трация оксида углерода не превышает максимально допустимого значения, то проверяется пре-вышение концентрации кислорода. Если превышение есть, это означает что много энергии уходит на нагревание воздуха и поэтому появляются энергетические потери. В этом случае уменьшается подача воздуха на заданную величину. Если концентрации кислорода и окиси уг-лерода находятся в допустимых пределах, алгоритм переходит к проверке температуры в каме-ре сгорания. При отклонении измеренного значения рассчитывается по составу топлива его те-плота сгорания и соответствующим образом корректируется подача топлива [2].

Основным фактором, обусловливающим сложность построения модели технологического процесса высокотемпературного сжигания отходов, является непрогнозируемое изменение теп-лотворности смеси топлива и отходов, происходящее после загрузки отходов в камеру сгора-ния. Вследствие этого, рассчитанные на стадии разработки приращения расхода воздуха и топ-лива должны изменяться в процессе эксплуатации инсинератора при изменении вида и, соот-ветственно, теплотворности и влажности отходов.

Другим важным обстоятельством, влияющим на процесс создания и эксплуатации рас-сматриваемых измерительных систем, является невозможность их полноценной отладки на объекте с изменениями измеряемых физических величин во всем диапазоне, поскольку это мо-жет вызвать значительное загрязнение окружающей среды. Следовательно, необходимо создать устройство эмуляции функций измерительных преобразователей и приборов. Данное устройст-во должно реализовывать следующие возможности: установление соответствия физической величины и номера выходного аналогового канала; задание границ диапазона изменения физи-ческой величины; задание значения физической величины и формирование унифицированного аналогового сигнала; реализацию изменения уровня аналогового сигнала в соответствии со скоростью изменения физической величины в конкретном технологическом процессе (с учетом динамической составляющей погрешности измерительного преобразователя) [3]. При реализа-ции данных функций устройством калибровки возможно проведение комплексных испытаний систем мониторинга техпроцесса, для чего необходимо реализовать программу эксперимента, эмулирующую поведение технологического процесса в различных режимах (штатном, нештат-ном, предаварийном и аварийном).


1. Шкаровский А.Л., Новиков О.Н., Окатьев А.Н. Энергоэкологические принципы управления процессом сжигания топлива - // Датчики и системы. - 2002. - N 10. - С.41-44. 2. Мониторинг и управление в технологических процессах, связанных со сжиганием топлива. Иванова Ю.А., Королев П.Г., Юнгин И.В. Труды международного конгресса. «Цели развития тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов России» - СПб., 13 – 14 ноября 2009.-С. 126-130. 3. Комплекс аппаратных и программных средств для калибровки измерительных систем эколо-гического мониторинга. Ю.А. Иванова, П.Г.Королев. Труды всеросс. конгресса. «Цели разви-


183

тия тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов Рос-сии» - СПб., 14 – 15 ноября 2008.-С. 40-44.

Разработка автоматизированной системы определения параметров пористости и физико-механических свойств пористых материалов

Д.А. Лапыгин ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева», 601910 Россия, г. Ковров, Владимирская область, ул. Маяковского, д. 19, E-mail: [email protected] В настоящее время в машиностроении при сборке деталей в сложные узлы, вопрос качест-

ва входящих в узел деталей стоит наиболее остро. Наиболее перспективным является автомати-зированный неразрушающий контроль качества деталей, позволяющий быстро и без разруше-ния детали оценить ее физико-механические свойства, поэтому отпадает необходимость в про-цессе сборки дополнительно испытывать изделие на прочность.

К такому виду контроля относится газодинамический автоматизированный неразрушаю-щий контроль физико-механических свойств материалов по оценке их пористости, который позволяет контролировать физико-механические свойства всех пористых материалов, таких как керамика, бетон, металлокерамика, стекло, древесина и др. материалы[1,2].

Для автоматизации процесса определения параметров пористости и физико-механических свойств изделий разработана автоматизированная система измерения пористости материалов, которая состоит из следующих функциональных блоков (рис. 1): измерительного блока, вклю-чающего в себя рабочую камеру (К1) измерительную камеру (К2), образец, клапаны (КЛ1, КЛ2), напускные клапаны (КН1..КН6), клапаны откачки КО1..КО6, твердотельное реле Р1, ва-куум насос, датчики давления (ДД1..ДД6) и блока управления включающего в себя микрокон-троллер (МК) фирмы Atmel ATMega 8535, блок согласования сигналов (БСС), источник опор-ного напряжения (ИОН), источник опорной частоты (ИОЧ), источник тактовой частоты (ИТЧ), блок согласования уровней. Так же система включает в себя ПЭВМ на которой запускается программа управления системой.

Система работает следующим образом. Команды управления передаются по последовательному порту от ПЭВМ в МК через БСУ.

Результаты измерения и сообщения о статусе системы передаются через БСУ от МК в ПЭВМ. Измерительная камера имеет шесть изолированных объемов, что позволяет исследовать прово-димость образца по различным зонам, а так же при различной ориентации образца и камер – вдоль различных осей системы координат образца. Для обеспечения требуемой точности и ста-бильности результатов измерения питание датчиков давления и АЦП МК производится от ста-билизированного источника питания. В качестве дополнительной меры, повышающей стабиль-ность результатов измерений в схему вводится ИОН, соединенный с портом опорного напря-жения АЦП МК. Так как основная задача системы – это фиксация изменения давления в изме-рительной камере через фиксированные временные интервалы с высокой точностью засечки времени в систему введены ИОЧ, формирующий прерывания МК, обработчик которых обеспе-чивает фиксацию показаний по всем задействованным каналам АЦП и ИТЧ, обеспечивающий стабильную работу МК - стабильное время цикла процессора. Частота отсчетов (прерываний от ИОЧ) настраивается оператором с ПЭВМ.

Работа системы разделяется на три этапа. 1. Настройка. От оператора с ПЭВМ в МК передаются величины остаточного давления,

время выдержки, частота измерения, число активных объемов измерительной камеры. 2. Вакуумирование. МК через БСС закрывает клапана КН1..КН6, КЛ1. Клапана КО1...КО6,

КЛ2 открываются, после чего включается реле Р1. Производится откачка до задаваемой на эта-пе 1 величины остаточного давления в измерительной камере фиксируемой датчиками давле-ния ДД1 – ДД6. После достижения заданной величины остаточного давления и выдержки сис-тема переходит в режим измерения.


ОБРАЗЕЦ К1К2

Вакуум насос

. . .

. . ..

. . .

. Р1..220V

Б С С К клапанам,реле+24

МКАТ Mega

8535 АЦП От датчиковдавления

ИОН

БСУПЭВМ

ДД 6

ИТЧ

Блок управления

Измерительныйблок

ИОЧ

КО 6

ДД 1

КЛ 2

КН 6Атмосфера

..

КН 1

КЛ 1

КО 1

Атмосфера

Рис. 1. Функциональная схема

3. Измерение. Измерительные камеры и рабочая камера изолируются от вакуумной линии

перекрытием клапанов КО1...КО6 и КЛ2. Далее рабочая камера и неиспользуемые объемы из-мерительной камеры соединяются с атмосферой открытием клапанов КН1…КН6, КЛ1. Одно-временно с открытием клапана КЛ1 внутренний счетчик времени МК сбрасывается на нуль и запускается режим работы АЦП по сигналам прерывания от ИОЧ через заданные интервалы времени. Изменение давления фиксируется и передается в ПЭВМ кадрами. Каждый кадр дан-ных включает в себя: текущее время по внутреннему счетчику МК, номер канала измерения (соответствующий номеру измерительного объема), величину давления.

ПЭВМ, получая результаты от МК, производит их обработку. На первом этапе произво-дится сглаживание (вычисление скользящего среднего), на втором этапе - построение характе-ристики скорости изменения давления, на третьем этапе – вычисление пористости и проницае-мости материала образца.

Таким образом, разработана система для автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов, которая обеспечивает проведение испы-таний пористости образцов не только воздухом но и газами известного состава. Для этого дос-таточно подключить клапана КН1…КН6 и КЛ1 к источнику газа известного состава (выходной ступени редуктора газового баллона).


1. Способ определения параметров пористости материалов: Патент РФ № 2305820, МКИ3 G01N15/08 / //Житников Ю. З., Иванов А.Н., Матросова Ю.Н., Матросов А.Е. –Б. И. № 25, 2007 г. 2. Матросова Ю. Н. Разработка устройства автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов// Вооружение. Технология. Безопасность. Управление./ материалы IV межотраслевой конференции с международ-ным участием аспи-рантов и молодых ученых. В 3 ч. Ч. 1– Ковров: КГТА, 2009. –с. 128-133.


185

Устройство для автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов Д.А. Лапыгин ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева», 601910 Россия, г. Ковров, Владимирская область, ул. Маяковского, д. 19, E-mail: [email protected] В машино- и приборостроении одним из обязательных этапов изготовления изделий явля-

ется контроль их качества. Наиболее оптимальным считается неразрушающий автоматизиро-ванный контроль, позволяющий без разрушения деталей проконтролировать их физико-механические свойства, такие как прочность, твердость, теплопроводность и др.

К неразрушающим методам контроля качества продукции относиться неразрушающий автоматизированный контроль, основанный на исследовании течения газа через контролируе-мый пористый материал.

Такую функцию выполняет семейство устройств, основанных на газодинамическом авто-матизированном неразрушающем контроле физико-механических свойств материалов по оцен-ке их пористости[1,2].

Модель измерительной части одного из этих устройств представлена на рис.1.

Рис. 1. Измерительная часть устройства

На контролируемое изделие 1 устанавливаются рабочая 2 и измерительная 3 камеры, обра-

зуя герметичные газовые емкости. Герметизация емкостей обеспечивается за счет прокладок из вакуумной резины 1, прижатия камер к изделию посредством шпилек 5 и пластин 6.

Принцип работы устройства основан на явлении фильтрации и диффузии газа через кон-тролируемый материал и заключается в следующем. Рабочая 2 и измерительная 3 камеры со-единены через систему трубопровода с вакуумным насосом (условно не показан). Каждая по-лость в измерительной камере 3 имеет выход на датчик давления газа, информация с которых автоматически передается на ЭВМ.

После вакуумирования газовых полостей камер 2 и 3, рабочая камера 2 соединяется с ат-мосферой и начинается процесс фильтрации, а затем и диффузии газа вдоль изделия в измери-тельную камеру 3, давление газа в полостях которой начнет медленно возрастать. При этом будут наблюдаться как фильтрационный, так и диффузионный потоки воздуха. По величине


измеряемого давления в газовых полостях по известным зависимостям [1] в автоматизирован-ном режиме определяются параметры пористости материала, такие как коэффициенты фильт-рации, проницаемости, диффузии, растворимости газа, которые определяют пористость мате-риала, а также и физико-механические свойства изделия.

Таким образом, предлагаемое устройство для автоматизированного неразрушающего кон-троля физико-механических свойств пористых материалов, таких как металлокерамика, стекло, сложные керамические системы и др., позволяет осуществить процесс контроля свойств изде-лий перед сборкой.


1. Способ определения параметров пористости материалов: Патент РФ № 2305820, МКИ3 G01N15/08 / //Житников Ю. З., Иванов А. Н., Матросова Ю. Н., Матросов А. Е. –Б. И. № 25, 2007 г. 2. Матросова Ю. Н. Разработка устройства автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов// Вооружение. Технология. Безопасность. Управление./ материалы IV межотраслевой конференции с международным участием аспиран-тов и молодых ученых. В 3 ч. Ч. 1– Ковров: КГТА, 2009. –с. 128-133.

Наноматериалы и особенности их спектров Х. Мазен Казанский Государственный Технический Университет им. А.Н. Туполева E-mail: [email protected] За последние двадцать лет нанотехнология стала важным индустриальным направлением.

В настоящее время более 50 стран ведут исследования и разработки в области нанотехнологии и имеют свои национальные программы. Нанотехнология – это продукт интеграции фундамен-тальных наук: физики, химии, биологии, излагаемых через призму идеи квантования и кванто-вого взаимодействия. Нанотехнология занимается изучением свойств объектов и разработкой устройств с базовыми структурными элементами размерами в несколько десятков нанометров (до 100 нм). При этом системы наночастиц по своим свойствам отличаются как от объемной фазы вещества, так и от молекул или атомов, их составляющих. Известно, что уменьшение размера частиц некоторых соединений до нескольких нанометров может изменять цвет, прово-димость, механические и другие свойства вещества.

Наноматериалы разделяются по форме (нанокристалы, нанотрубки и наноплёнки), по функции (металлические, полупроводниковые), по структуру (однослойные, многослойные). Наибольшее распространение в настоящее время получили следующие типы наноматериалов:: квантовые точки, углеродные нанотрубки и фуллерены.

Квантовые точки - очень маленький физический объект размером меньше радиуса экси-тона Бора. Точка должна быть настолько малой, чтобы были существенны квантовые эффекты (свойства наноматериала зовисит от размера наночастиц).

Флуоресцирующие полупроводниковые квантовые точки обладают следующими уникаль-ными оптическими и химическими свойствами: квантовый выход превышает 70% при комнат-ной температуре, широкие полосы возбуждения от УФ - до ближней ИК-области. Спектр эмис-сии крайне узок (10—25 нм на полувысоте), идеально симметричен, а положение максимума испускания флуоресценции нанокристаллов определяется их диаметром. Квантовые точки яв-ляются значительно более фотостабильными и имеют яркость в 20 раз больше, чем обычные флорофоры.

Уникальные оптические свойства квантовых точек, указанные выше, открывают широкие перспективы для их применения в качестве оптических сенсоров, флуоресцирующих маркеров, фотосенсибилизаторов в медицине для визуализации патологий в организме, а также для изго-товления фотодетекторов в ИК-области, солнечных батарей высокой эффективности, сверхми-ниатюрных светодиодов, источников белого света, одноэлектронных транзисторов и нелиней-но-оптических устройств.


187

Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм угле-рода и представляющие собой выпуклые замкнутые пяти- и шестиугольные грани, составлен-ные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Молекула С60 наиболее известна среди фуллеренов, благодаря высокой симметрии. Она имеет бедный спектр поглощения (4 линии на частотах 1429, 1183, 577, 528 см-1 с шириной 3-10 см-1), но богатый спектр рассеяния: 46 колебательных линии, записываемых в следующем виде: Γvib = 2Ag(Ra) + 3F1g + 4F2g + 6Gg + 8Hg(Ra)+ Au + 4F1u(IR) + 5F2u + 6Gu + 7Hu, спектр которых, можно наблюдать раманов-ским методом или ИК спектроскопией. Другие фуллерены имеют достаточно сложный спектр поглощения и комбинационного рассеяния (С70 имеет 5 линии на частотах 1568, 1232, 1185, 1062, 260 см-1). Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å.

Молекулярные кристаллы фуллеренов являются полупроводниками, однако в начале 1991 г. было установлено, что легирование твёрдого С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких тем-пературах переходит в сверхпроводник. Это свойство имеет перспективное применение в мик-роэлектронике. Фуллерены обладают нелинейными оптическими свойствами, это открывает возможности их использования в качестве основы оптических затворов ограничителей интен-сивности лазерного излучения, для создания специальных нелинейных оптических элементов оптических цифровых процессоров, а также для защиты оптических сенсорных датчиков от интенсивного облучения. Фуллерен С60 является подходящим материалом для оптических пре-образований, связанных с удвоением и утроением частоты падающего излучения. Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов.

Углеродные нанотрубки: (УНТ) протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров.

При исследовании оптических свойств углеродных нанотрубок рассматривают поглоще-ние, фотолюминесценцию и Рамановскую спектроскопию. Спектроскопические методы позво-ляют делать быстрый и надежный анализ характеристик нанотрубок с точки зрения не-трубчатого содержания углерода, и также анализ структуры (спиральности) производства на-нотрубок и структурных дефектов. Эти особенности определяют другие свойства, такие как оптические, механические и электрические.

Оптическое поглощение используют для определения типа нанотрубок (полупроводнико-вые или металлические). Биологические системы, как известно, весьма прозрачны в ближней инфракрасной (БИК) области (700 - 1100 нм). Cильное оптическое поглощение УНТ в этом спектральном диапазоне может быть использовано при выполнения многофункциональных биологических задач.

Фотолюминесценция (ФЛ) является одним из важных инструментов для характеристики нанотрубок, используется для определения структуры УНТ, но она ограничена низкой эффек-тивностью (КПД ~ 0,01%).

Рэлеевское рассеяние используют для определения ширины запрещенной зоны индивиду-альной полупроводниковой нанотрубки.

Спектроскопия комбинационного рассеяния (Рамановское рассеяние) света имеет хорошее пространственное разрешение (~ 0,5 мкм) и чувствительность (одной нанотрубки), она требует лишь минимальной подготовки образцов и является весьма информативным методом. Раманов-ское рассеяние является наиболее популярным методом для исследования углеродных нанот-рубок. Рамановский спектр одной углеродной нанотрубки имеет 4 основных линии на частотах (235, 1330, 1580, 2620 см-1).

Рамановское рассеяние в углеродных нанотрубках является резонансным, (т.е. только трубки у которых, энергия запрещенной зоны похожа на лазерную энергию, возбуждаются). Например, красный лазер является резонансным для перехода E22 полупроводникой УНТ с диаметром 1 нм, для перехода E33 полупроводникой УНТ с диаметром 2 нм и для перехода E11 металлической УНТ с диаметром 1.4 нм. Рамановское рассеяние используется для количест-венной оценки структурного качества УНТ, для определения их типа, их структур и их пара-


метров (ширина запрещенной зоны отдельных полупроводниковых нанотрубок может быть оценена по соотношению интенсивностей стоксовсой и антистоксовской линий).

Из проведенного обзора можно сделать следующие выводы: Для исследования квантовых точек используют ФЛ метод в широком спектральном диапа-

зоне от УФ до ближней ИК области в зависимости от их вида. Для исследования С60 фуллеренов используют резонансное рамановское рассеяние на дли-

не волны 488 нм при исследовании поликристалов и Фурье-рамановскую спектроскопию (FTR) на длине волны 1064 нм при исследовании монокристалов.

Для исследования углеродных нанотрубок используют резонансное рамановское рассеяние в видимой и ближной ИК области спектра с различными лазерами, (можно использовать сле-дуюшие лазеры: Ar на длине волны 514 нм, He-Ne на 633 нм, Ti-Saphir на 785 нм или Nd-Yag на 1064 нм) в зависимости от вида УНТ и её диаметра. Схема измерения состоит из специаль-ного монохроматора который, включает в себя дифракционную решетку с высокой разрешаю-щей способностью (голограммная дифракционная решетка), быстро-дествуюший фоточустви-телний элемент с минимальном сигналом шума (ССD фотодетектор) и перестраеваемый лазер.

Таким образом, спектры нановеществ имеют особенности, которые могут быть использо-ваны при исследовании свойств и характеристик наноматериалов. Спектроскопические методы дают возможность быстрого и неразрушающего контроля их характеристик.

Материалы доклада подготовлены по публикациям в журналах: Science, J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. B, Phys. Rev. Lett., Appl. Phys. Lett., Phil. Trans. R. Soc., US Patent, J. of Physical Chem-istry, Оптическом журнале и журнале «Успехи оптических наук». Было рассмотрено более 25 публикаций.

Анализ существующих методов и средств автоматизированного неразрушающего

контроля качества материалов. Е.А. Малышева ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева», 601910 Россия, г. Ковров, Владимирская область, ул. Маяковского, д. 19, E-mail: [email protected] В настоящее время наиболее актуальным для машиностроительных предприятий страны

является автоматизированный неразрушающий контроль качества готовой продукции, при ко-тором контролируемые изделия сохраняют свои формы и свойства без разрушения.

В результате проведенного анализа существующих методов и средств [1, 2] контроля каче-ства материалов была разработана классификация автоматизированных средств неразрушаю-щего контроля (НК) пористости материалов.

Все автоматизированные средства измерения пористости изделий из пористых материалов по виду рабочей среды можно подразделить на средства с газовой и жидкостной средой, рту-тью, а также средствами контроля рентгенографическим, электрическим, акустическим и оп-тическим методами.

Акустические методы неразрушающего контроля представляют собой совокупность мето-дов дефектоскопирования, в которых основными носителями возбуждения и информации о ка-честве объекта являются акустические волны. Акустические методы неразрушающего контроля могут применяться для дефектоскопирования поковок, отливок, сварных соединений. Данные методы хорошо поддаются автоматизации и не представляют угрозы для жизнедеятельности человека. Однако, они не позволяют обеспечить достаточно высокую точность контроля мате-риалов, имеющих сложную разветвленную структуру пор.

Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в элек-тропроводящем объекте контроля. По рабочему положению относительно объекта контроля преобразователи делят на проходные, накладные и комбинированные. По способу соединения обмоток различают абсолютные и дифференциальные вихретоковые преобразователи. Основ-


189

ными недостатками данных методов являются малая глубина зоны контроля и возможность контроля качества только электропроводящих объектов.

Капиллярные методы неразрушающего контроля основаны на капиллярном проникнове-нии индикаторных жидкостей (пенетрантов) в полости поверхностных и сквозных несплошно-стей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визу-альным способом или с помощью преобразователя. Капиллярные методы НК предназначены для обнаружения невидимых или слабовидиных невооруженным глазом поверхностных и сквозных дефектов в объектах контроля, определения их расположения, протяженности и ори-ентации по поверхности. Основным недостатком данных методов является возможность обна-ружения только поверхностных и сквозных дефектов.

Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основном для контроля изделий из ферромагнитных материалов, т.е. из материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего магнитного поля. При этом воз-можно выявление дефектов от нескольких микрометров.

Оптические методы неразрушающего контроля основаны на взаимодействии электромаг-нитного излучения оптического диапазона с веществом. При данных методах контроля воз-можно определение геометрических параметров дефектов, и дефектов размером 1мкм.К недос-таткам данных методов можно отнести сложность определения многослойных дефектов, воз-можность возникновение вредных бликов, зависимость от правильного выбора освещения при контроле.

Радиографические методы радиационного НК основаны на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок или запись этого изображе-ния на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. На практике этот метод наиболее широко распространен в связи с его простотой и документальным подтверждением получаемых результатов. К недостаткам данных методов следует отнести опас-ность для здоровья человека и высокую стоимость используемого оборудования.

Радиоволновой неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия электромаг-нитного излучения радиоволнового диапазона с объектами контроля. К достоинствам метода следует отнести возможность контроля материалов различной степени прозрачности, помехо-устойчивость оборудования по отношению к близкорасположенным предметам, возможность наблюдения и анализа быстропротекающих процессов. Основными недостатками являются вы-сокая стоимость оборудования и сложность обнаружения дефектов при неравномерной струк-туре контролируемого материала.

Под тепловыми методами визуализации изображения понимается совокупность методов, основанных на свойстве объектов дефектоскопирования отражать тепловые поля. Основными недостатками методов являются сложность обнаружения дефектов при неоднородной структу-ре материала контролируемого изделия и необходимость теплового воздействия на материал контролируемого изделия.

Электрические методы основаны на создании в контролируемом объекте электрического поля либо непосредственным воздействием на него электрическим возмущением, либо косвен-но с помощью воздействия возмущениями неэлектрической природы. Основными недостатка-ми данных методов являются возможность использования только для электропроводящих ма-териалов и чувствительность к неоднородности материала контролируемого изделия.

Наиболее эффективными являются газодинамические методы контроля качества материа-лов, которые могут быть реализованы пятью способами, основанными на газовом разряде ка-либрованной емкости в измерительную; сравнении газовых разрядов в измерительной и ка-либрованной емкостях; квантовании газового объема измерительной емкости; формировании двуполярных возмущений в измерительной и калиброванной емкостях; применении акустиче-ских средств измерения в диапазоне звуковых и ультразвуковых возмущений.

Из анализа методов автоматизированного неразрушающего контроля качества материалов наиболее простым, безопасным и экономически выгодным является газодинамический метод контроля.


Литература 1. Лопухин В.А., Гурылёв А.С. Автоматизация визуального технологического контроля в элек-тронном приборостроении. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. – 287с. 2. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Кова-лёв и др.; Под ред. В.В. Клюева. 3-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 2005. 656с.

Разработка программного обеспечения для визуализации газодинамического метода контроля параметров пористости материалов

Ю.Н. Матросова ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева», 601910 Россия, г. Ковров, Владимирская область, ул. Маяковского, д. 19, E-mail: [email protected] В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений определения физико-

механических свойств деталей из пористых материалов является автоматизированный нераз-рушающий контроль качества изделий.

В машиностроении используются различные методы неразрушающего контроля, одним из которых является газодинамический метод. Данный метод основан на исследовании зависимо-стей физико-механических свойств от особенностей течения газа через контролируемый мате-риал. Для автоматизации данного метода первостепенной задачей является моделирование процесса течения газа.

Под пористостью понимается отношение объема пор в теле к общему объему тела. Под проницаемостью – способность материала пропускать газ или жидкость.

К пористым материалам относится керамика, металлокерамика, сложные керамические системы, древесина, пластмассы и т. д.

Автором разработаны способ, устройство определения параметров пористости материалов [1,2] и программное обеспечение для визуализации процесса на основе газодинамического ме-тода контроля параметров пористости материалов.

При фильтрации газов в пористой среде различают два основных вида течений: молеку-лярное и ламинарное. Поскольку переход от одного вида течения к другому не имеет выражен-ных границ, то в пористой среде рассматривают переходный режим течения от молекулярного к ламинарному режиму. Каждый режим течения в пористой среде обладает характерными осо-бенностями как по взаимодействию частиц газа с поверхностью пор, так и по взаимодействию частиц газа друг с другом.

Разработанное программное обеспечение основано на первоначальном вводе исходных данных о структуре контролируемого материала, форме и размерах изделия, параметрах газа, использующегося для процесса контроля, погрешности измерительного устройства. После вво-да исходной информации запускается процедура визуализации процесса перетекания газа из рабочей емкости устройства в измерительную через контролируемый материал, производится автоматический расчет изменения давления газа в камерах с течением времени и строится гра-фическая зависимость давления газа от времени, на которой наблюдаются участки кнудсенов-ского и ламинарного режимов течения газа. Предлагаемое программное обеспечение разрабо-тано среде Delphi7 на языке программирования Pascal.

Вводя в программу информацию о различных газах и контролируемых материалах можно определить наиболее оптимальный по скорости фильтрации газа и точности измерений способ контроля конкретного изделия газодинамическим методом.

Таким образом, разработанное программное обеспечение позволяет провести визуализа-цию газодинамического метода контроля параметров пористости материалов на основе процес-са моделирования течения газа через контролируемый материал и выявить наиболее оптималь-ные условия контроля для конкретно выбранного изделия.


191

Литература 1.Способ определения параметров пористости материалов: Патент РФ № 2305820, МКИ3 G01N15/08 / //Житников Ю. З., Иванов А. Н., Матросова Ю. Н., Матросов А. Е. –Б. И. № 25, 2007 г. 2. Матросова Ю. Н. Разработка устройства автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов// Вооружение. Технология. Безопасность. Управление./ материалы IV межотраслевой конференции с международным участием аспиран-тов и молодых ученых. В 3 ч. Ч. 1– Ковров: КГТА, 2009. –с. 128-133.

Разработка устройства автоматизированного неразрушающего контроля параметров пористости материалов

Ю.Н. Матросова ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева», 601910 Россия, г. Ковров, Владимирская область, ул. Маяковского, д. 19, E-mail: [email protected]

Контроль качества готовой продукции является неотъемлемой частью технологического

процесса изготовления изделий в машино- и приборостроении. Одним из методов контроля яв-ляется неразрушающий автоматизированный контроль, позволяющий без разрушения деталей в короткие сроки контролировать их физико-механические свойства по пористости материалов.

Под пористостью понимается отношение объема пор в теле к общему объему тела. Под проницаемостью – способность материала пропускать газ или жидкость.

К пористым материалам относится керамика, металлокерамика, сложные керамические системы, древесина, пластмассы и т. д.

На основании научных исследований автором разработаны способ определения парамет-ров пористости материалов [1] и устройство автоматизированного неразрушающего контроля параметров пористости материалов.

Разработанное устройство позволяет контролировать характер изменения параметров по-ристости в зависимости от технологии изготовления изделия, выявлять наиболее ослабленные участки в изделии и оценивать его физико-механические свойства.

Принцип работы устройств основан на явлении фильтрации и диффузии газа через контро-лируемый материал [2].

На грани контролируемого изделия устанавливаются измерительные камеры, которые гер-метично прижимается к контролируемому изделию, образуя герметичные газовые полости. Камеры соединены через систему трубопровода с вакуумным насосом или предварительно ва-куумированной емкостью, объемом, значительно превышающим объем каждой газовой полос-ти. Для исключения перетечки газа между камерами, каждая из них имеет возможность отклю-чения от общей магистрали посредством газового клапана. Каждая камера имеет выход на дат-чик давления газа, информация с которых автоматически передается на ЭВМ.

После вакуумирования газовых полостей, одна из камер соединяется с атмосферой и начи-нается процесс фильтрации, а затем и диффузии газа в остальные камеры, давление газа в кото-рых начнет медленно возрастать. При этом будут наблюдаться как фильтрационный, так и диффузионный потоки воздуха. По величине измеряемого давления в газовых полостях по из-вестным зависимостям [1] в автоматизированном режиме определяются параметры пористости материала, такие как коэффициенты фильтрации, проницаемости, диффузии, растворимости газа, которые определяют активную, закрытую и условно-замкнутую пористость материала, а также и физико-механические свойства изделия.

Таким образом, разработанное устройство автоматизированного неразрушающего контро-ля параметров пористости материалов позволяет проводить контроль параметров пористости, а затем и физико-механических свойств изделий непосредственно на последнем этапе техноло-гического процесса изготовления изделия.


Литература 1. Способ определения параметров пористости материалов: Патент РФ № 2305820, МКИ3

G01N15/08 / //Житников Ю. З., Иванов А. Н., Матросова Ю. Н., Матросов А. Е. –Б. И. № 25, 2007 г.

2. Матросова Ю. Н. Разработка устройства автоматизированного неразрушающего кон-троля физико-механических свойств пористых материалов// Вооружение. Технология. Безопас-ность. Управление./ материалы IV межотраслевой конференции с международным участием аспирантов и молодых ученых. В 3 ч. Ч. 1– Ковров: КГТА, 2009. –с. 128-133.

Обобщенный алгоритм сравнительной квалиметрической оценки технологических методов по совокупности выходных характеристик Е.И. Нестерова, А.К. Кулаков, Г.М. Луговой Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения, 191119, г.Санкт-Петербург, ул.Правды,13, E-mail:[email protected] В связи с широким внедрением разнообразных инновационных технологий, методов,

средств производства и эксплуатации в различные области, в частности, в такие, как мультиме-дийная техника и мультимедийные технологии, особенно актуальной является задача выбора такой технологии или метода, совокупность выходных (функциональных) характеристик кото-рых позволяет обеспечить интегральный качественный уровень. Решение данной задачи может предполагать использование расчетной интегральной модели и ряда экспертных процедур.

Однако надо иметь в виду, что более обоснованные результаты могут быть получены при условии предварительного решения комплекса задач:

-формирования перечня выходных частных параметров, обеспечиваемых анализируемым методом; установлением количественных требований к частным параметрам, т.е. решения про-блем, связанных с разработкой нормативно- технических документов, стандартов на данный метод;

- разработки соответствующего контрольно- диагностического, метрологического обеспе-чения, включающего как средства измерения, так и методики выполнения измерений, методики обработки полученных результатов и т.д.;

- разработки методов и средств для решения задач сертификации. В данной работе эти вопросы не рассматриваются. Сравнительная квалиметрическая оценка технологического метода по совокупности вы-

ходных функциональных характеристик может быть проведена в соответствии с определенным алгоритмом.

1.Формируется перечень частных выходных функциональных параметров анализируемого технологического метода на основании экспертного опроса, имеющихся стандартов, разраба-тывается иерархическая структура частных и обобщенных параметров.

2. Формируются оценочные квалиметрические шкалы для частных параметров с использо-ванием метода последовательного преобразования шкал [1]: от порядковых шкал к нормиро-ванной относительной шкале. Находятся оценки ijq∆ частных параметров анализируемого ме-тода по сформированным шкалам.

3.Определяются весовые коэффициенты частных ijk и обобщенных ik квалиметрических параметров в результате квалиметрических экспертиз методом парных сравнений. Рассчиты-ваются статистические характеристики весовых коэффициентов: средние арифметические зна-чения, ijk , ik среднеквадратические отклонения iji σσ ; .

4. Определяется возможность компенсации одних частных или обобщенных параметров другими, т.е. возможность обменных соотношений между параметрами – рассчитываются пар-ные коэффициенты корреляции между частными 1,, +jjir и обобщенными 1, +iir параметрами, в


193

зависимости от полученных результатов, проверяются гипотезы о значимости линейной взаи-мосвязи или о ничножности нелинейной взаимосвязи.

5. Рассчитываются уровни обобщенных параметров с использованием статистической ква-лиметрической модели

)2/1exp()(cos 1,,1,1,11

22

+++==

∆∆−∆= ∑∑ jjijijiji

C

jij

m

jijiji rqqqkq

m

σσ

6.Рассчитывается квалиметрический показатель (в качестве рассчетной модели выбирает-ся статистическая модель, описываемая характеристическими функциями), определяющий ин-тегральные функциональные и квалиметрические особенности оцениваемого технологического метода

∑∆=∆ =

+++∆∆−

=∑

n

iiiiiii rqqn

iii eqkqQ 1

1,1121

1

2Re )(cos)(

σσ

7. Проводится анализ полученных результатов и формулируются выводы в зависимости от целей проводимой квалиметрической оценки: обосновывается целесообразность использования того или иного метода, проводится классификация, сертификация ряда методов по квалимет-рическим возможностям и т.д.


1.Нестерова Е.И. Квалиметрические технологии в системах качества предприятий и организа-ций кинематографии// СПб.: Политехника,2007.-152 с.

Статистические оценки влажностных характеристик атмосферы, полученные дистанционными методами зондирования В.А. Николаев Муромский институт (филиал) ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет» г. Муром, Орловская, 23, E-mail: [email protected] Для того чтобы определить влагозапас Q и водозапас W атмосферы радиотеплолокацион-

ным методом, необходимо измерить такие характеристики поля радиотеплового излучения об-лачной атмосферы, как оптическая толщина τ и радиояркостная температура Тя. Взаимосвязь оптической толщины с характеристиками влагосодержания облачной атмосферы устанавлива-ется на основе линейной модели интегрального поглощения атмосферы, которая разработана для внедрения радиотеплолокационных методов оценивания Q и W с поверхности Земли [1,2]. Для нахождения Q и W двухволновым методом необходимо измерить антенную и радиояркост-ную температуры в диапазонах рабочих длин волн 0,8 см и 1,35 см, затем определить оптиче-скую толщину и с помощью линейной модели найти влагозапас и водозапас. Далее необходимо произвести оценку среднеквадратических погрешностей измерений Q и W с учётом дисперсий слагаемых погрешностей τ, Тя, установки угла ориентации антенны, эффективной температуры атмосферы. Выражения для нахождения среднеквадратических погрешностей косвенных изме-рений Q и W приведены в [1,2].

По изложенной методике были произведены расчеты СКО Qσ влагозапаса для безоблач-ной атмосферы в теплый период года и холодный периоды года, а также СКО Qσ влагозапаса и СКО Qσ водозапаса для моделей атмосферы с облаками нижнего и среднего ярусов, дающих сплошные осадки: слоистые облака (St), слоисто-кучевые облака (Sc), высоко-слоистые облака (As), высоко-кучевые облака (Ac). В качестве исходных значений Q0, W0 для указанных моде-лей атмосферы приняты данные, полученные с помощью аэрофизических измерений [1]. Ре-зультаты расчетов статистических характеристик для безоблачной атмосферы и атмосферы со слоистообразными облаками в теплый и холодный периоды года приведены на рис.1 и на рис.2.


Q, кг/м2

б/о St Sc As Ac

- СКО влагозапаса при аэрофизических исследованиях (АФ) - СКО влагозапаса при радиотеплолокационных исследованиях (РТЛ)

Рис. 1. Среднеклиматические изменения влагозапаса от типа облачности в теплое (т) и холодное (х) время года

W, кг/м2

St Sc As Ac

- СКО водозапаса при аэрофизических исследованиях (АФ) - СКО водозапаса при радиотеплолокационных исследованиях (РТЛ)

Рис. 2. Среднеклиматические изменения водозапаса от типа облачности в теплое (т) и холодное (х) время года

На этих рисунках представлены графики изменений влагозапаса (водозапаса), определя-

мые как отклонения ( )WQ σσ ±± от среднеклиматических значений, полученных при прове-дении аэрофизических измерений [1].

Из рис.1 следует, что влагозапас атмосферы изменяется в диапазоне значений от 9,44 кг/м2 до 25,88 кг/м2 в теплый период года и от 3,95 кг/м2 до 9,12 кг/м2 в холодный период года.

Из рис.2 следует, что водозапас атмосферы изменяется в диапазоне значений от 0,06 кг/м2 до 0,12 кг/м2 в теплый период года и от 0,04 кг/м2 до 0,08 кг/м2 в холодный период года.

Произведенный расчет статистических характеристик для безоблачной атмосферы и атмо-сферы со слоистообразными облаками показывает, что СКО влагозапаса и водозапаса зависит


195

от среднеклиматических значений Q0 и W0. Поэтому целесообразным является проведение до-полнительных исследований влагозапаса и водозапаса для того, чтобы оценить насколько вы-ражена эта зависимость при различных значениях Q0, W0.

В целом анализ показал, что применение радиотеплолокационного метода определения Q безоблачной атмосферы и Q, W атмосферы с облаками типов St, Sc, As, Ac оказывается более эффективным по сравнению с применением аэрофизических методов зондирования, так как обеспечивает существенное уменьшение априорной неопределенности, содержащейся в исход-ной статистической модели атмосферы [1].


1. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплолокация в метеоро-логии. – Л.:Гидрометеоиздат, 1987г. - 362с. 2. Николаев В.А., Первушин Р.В. Оценка уменьшения априорной неопределённости результа-тов радиотеплолокационных измерений влагозапаса и водозапаса облачной атмосферы. Сб. докладов 42-й региональной научно-практической конференции.\ Муром, 2февраля 2007 г. - Муром: Изд. полиграфический центр МИ (ф) ВлГУ, 2007, - с.155.

Стандартизация в строительстве Т.А. Порядченко Башкирский Государственный Университет (БашГУ), г. Уфа, ул. Карла Маркса, д. ¾ E-mail: [email protected], 8937 158 7155 Строительство, наряду с приготовлением пищи и изготовлением одежды и обуви, относится к

древнейшей, с огромным опытом и многовековыми традициями сфере деятельности людей. В от-личие от новых и новейших направлений техники и технологии (энергетики, электроники, теле-коммуникаций, информационных технологий и др.), в которых базовые основы изменяются доста-точно быстро в историческом плане (в течения столетия, десятилетий и даже нескольких лет), строительство считается относительно консервативной отраслью [3]. Сегодня строительство пре-вратилось в одну из наиболее мощных отраслей мировой экономики, обеспечивающую рабочими местами миллионы людей. Известно, что при выборе товаров, продуктов, услуг люди, прежде все-го, обращают внимание на качество. Для технической оценки качества необходимы сравнительная база и, прежде всего, твердая, унифицированная позиция потребителя, которая достигается посред-ством стандартизации. Качество и стандарт неотделимы, а потому совершенствование норматив-ной базы для строительства, в конечном счете - работа над повышением качества и безопасности того, что строится сегодня и будет построено завтра. Системы водоснабжения и освещения, обес-печения безопасности и кондиционирования воздуха, внутренний транспорт и отопление, слож-нейшая автоматика и информационные системы в наших домах, офисах, производственных поме-щениях, стадионах, торговых комплексах и других общественных зданиях - все это подчинено нормам и требованиям, заложенным в стандарты и технические регламенты [4].

Фонд национальных стандартов, действующих в строительном комплексе РФ, составляет 800 единиц. Вместе со строительными нормами и правилами, а их около 200, они устанавливают тре-бования к эксплуатационным характеристикам зданий и сооружений, их безопасности, надежности и долговечности. Многие из этих документов нуждаются в обновлении и совершенствовании. Дея-тельность по стандартизации в отрасли приобретает современные формы. Активно работают тех-нические комитеты по стандартизации - ТК 465 "Строительство" и ТК 464 "Конструкции строи-тельные стальные". Эти комитеты представляют Россию в 20 ИСО/ТК строительного профиля. Об-разован и успешно функционирует Межотраслевой совет по стандартизации в строительном ком-плексе. Но это лишь необходимый минимум того, что должно быть сделано в быстро развиваю-щейся отрасли российской экономики. Намечена перспективная программа до 2011 г. по разработ-ке и пересмотру нормативной базы строительной отрасли, которая содержит более 180 тем. Основ-ные приоритетные направления этого программного документа - гармонизация национальных


стандартов с международными, эффективность использования энергии, ресурсосбережение, техни-ческая и информационная совместимость, взаимозаменяемость изделий в строительстве, содейст-вие соблюдению требований технических регламентов. В последнее время в связи с тем, что миро-вая экономика развивается по принципам географической глобализации, где разделение труда по регионам является основным приоритетом, важную роль играют международные организации по стандартизации, такие, как ИСО, Международная электротехническая комиссия (МЭК), Междуна-родный союз электросвязи (МСЭ). Взаимодействие этих организаций дает положительный эконо-мический эффект и влияет на национальную стандартизацию. При этом основная цель этих органи-заций - содействие международному обмену товарами и услугами, а также сотрудничеству стран в экономической, интеллектуальной, технологической и научной сферах [1]. Новые достижения в области науки и техники используются и при строительстве жилых и общественных зданий. Со-временное здание уже невозможно представить себе без различного рода систем, обеспечивающих комфорт и безопасность. Но, как это ни парадоксально, появляется одно маленькое неудобство: всем этим многообразием нужно управлять так, чтобы избежать ошибок. Автоматизированная сис-тема управления различными системами здания призвана объединить управление всеми системами дома, даже взять часть управления на себя, создать там управление интеллектуального дома. Все мы знаем, что здания, будь то промышленные, торговые, административные или жилые, должны отвечать многочисленным требованиям, и в первую очередь по противопожарной безопасности. А для этого автоматизированная система управления активной противопожарной защитой (АСУ АПЗ) должна предусматривать устойчивую, надежную работу и возможность интеграции по циф-ровым протоколам со всеми автоматизированными системами управления зданием. Она должна быть открытой, с возможностью объединения в единую, управляющую структуру практически лю-бых инженерных систем, и обеспечивать надежное управление системами здания и исполнитель-ными устройствами. Не допускается использование отдельных станций управления активной про-тивопожарной защитой и станций пожарной сигнализации, не интегрированных в общую автома-тизированную систему управления. А как этого добиться? Использовать уже существующие стан-дарты, в т. ч. и международные ИСО, МЭК, МСЭ. Это, в свою очередь, приведет к получению эко-номии средств за счет уменьшения численности квалифицированного эксплуатационного персона-ла, например, высотных зданий и сооружений и рационального использования ресурсов. Стандар-тизация должна быть более глобальной. "Старые", уже давно используемые, системы применяются при строительстве и эксплуатации любого другого здания и сооружения. Значит, стандартизация должна распространяться на все, начиная с дверных, оконных проемов и заканчивая системами кондиционирования, пожаротушения. Внедрение этого, в принципе, простого стандарта повысит производительность труда, оптимизирует потребление ресурсов, улучшит условия свободной тор-говли и честной конкуренции, что, в свою очередь, приведет к повышению качества и безопасно-сти, а в итоге и к снижению затрат на эксплуатацию зданий.

В РФ, особенно после введения в действие ФЗ "О техническом регулировании", который явно ослабил национальную стандартизацию и техническое нормирование, главным образом в строительстве, международная система стандартизации необходима, как воздух [1].

Сегодня число элементов контроля и управления в особо опасном, технически сложном или уникальном объекте строительства (здании, сооружении) достигает многих десятков - со-тен тысяч. При реализации таких объектов невозможно обойтись без современных средств ав-томатизации и систем управления, основанных на применении компьютерных сетевых инфор-мационных технологий, с тем, чтобы в реальном времени держать все конструкции, объемы и оборудование систем инженерно-технического обеспечения его безопасности. Для подобных объектов недостаточно норм ИСО. Следует дополнительно использовать нормы МЭК, а также некоторые нормы МСЭ (в части эксплуатации частного спектра при организации телекоммуни-каций в естественной среде - эфире и в искусственных средах). Невозможно упустить из виду вопросы электромагнитной совместимости и надежности. Для управления простыми объектами уместно использовать средства автоматического управления бытового и аналогичного приме-нения [3]. Полный набор стандартов ИСО и МЭК, способный обеспечить нормирование в со-временной строительной отрасли, достаточен для проектирования, возведения и обеспечения нормальной эксплуатации объектов любой сложности - от радара дальнего обнаружения, атом-ной энергетической станции и высотного здания до одноквартирных индивидуальных жилых домов. Общее число полного набора стандартов, необходимых для строительной отрасли, со-


197

ставляет 1465, т.е. практически вдвое больше, чем предусмотрено в официальной базе ИСО, относящейся к строительству.

Отечественная нормативная база в области строительства по своему содержанию близка к нормативной базе ИСО. Коэффициент участия РФ в работе соответствующих ТК и ПК ИСО составляет 0,745, что, в принципе, является неплохим показателем. Отставание в большей сте-пени связано с неудачным осуществлением реформы национальной системы технического ре-гулирования после принятия в 2002г. ФЗ "О техническом регулировании". Положительные из-менения произошли лишь после внесения изменений в этот закон в мае 2007 г., когда была принята двухуровневая система технического регулирования, восстановлена возможность ле-гитимного использования строительных норм и правил в новой форме их представления - в ви-де сводов правил - и признана презумпция соответствия [2]. Основным массивом нормативных документов, на основании которых осуществляется деятельность в строительстве, служат стан-дарты и своды правил - нормы добровольного применения, как это принято в международной практике.В настоящее время в Государственную Думу Федерального Собрания РФ внесен за-конопроект "О безопасности зданий и сооружений", но отсутствует утвержденный Правитель-ством РФ перечень стандартов и сводов правил, применение и выполнение требований которых должно обеспечивать выполнение требований этого закона.

В последнее время Министерство промышленности и торговли РФ, Министерство регио-нального развития РФ (ответственное за регулирование деятельности в области строительства), Российский союз промышленников и предпринимателей (проявляющий все большую актив-ность в вопросах технического регулирования) сосредоточились на вопросах гармонизации на-циональных технических норм в области строительства с европейскими нормами - еврокодами. При этом из внимания упускаются остальные стандарты, необходимые для применения в со-временной строительной отрасли.

Подводя итог, можно сказать, что стандартизация во всем мире направлена на улучшение условий жизни и защиту общества, окружающей среды и природы. Она содействует развитию глобальной информационной сети для ускорения принятия стандартов и переработки старых. Сегодня стандарты носят рекомендательный характер, но товар с отметкой о соответствии ГОСТ пользуется большей популярностью на рынке, а деятельность институтов по стандарти-зации, как отечественных, так и международных, способствует мировой интеграции и глобали-зации экономики.


1.Серегин Е. Стандартизация в строительстве призвана улучшить нашу жизнь // Стандарты и качество. - 2008. - 10 (с.32). 2.Тарада А., Мартынова Т. Проблемы и перспективы формирования перечней национальных стандартов и сводов правил для технических регламентов в области строительства // Стандарты и качество. - 2008. - 10 (с.22). 3.Щербина В., Любимов М. О международной и национальной стандартизации в строительст-ве// Стандарты и качество. - 2009. - 8 (с.61). 4.Элькин Г. Стандартизация для строительства // Стандарты и качество. - 2008. - 10 (с.3).

Применение элементов автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры для определения параметров надежности электронных узлов аналоговых приборов В.С. Пучкова Санкт-петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». 197376, Санкт-Петербург, улица Профессора Попова, дом 5. Е-mail: [email protected]. Надежности измерительных средств всегда уделялось большое внимание. Для подготовки

специалистов в области информационно - измерительной техники и технологии на четвертом


курсе обучения в СПБГЭТУ «ЛЭТИ» читается специальный курс «Надежность и качество средств измерений», в котором будущие инженеры изучают теорию надежности и практиче-ские методы определения ее показателей. С той же целью поставлен курс лабораторных работ на базе ЭВМ.

Трудоемкость определения надежности средств измерения заключается в том, что почти 90% отказов составляют постепенные и лишь 10% внезапные, часть из которых при глубоком рассмотрении так же оказываются постепенными. Моделирование постепенных отказов требу-ет знание не только интенсивности отказов отдельных элементов, но и временного изменения параметров схемы.

В настоящее время, аналоговая техника преуспевает за счет широкого использования не только электромеханических приборов, но и электронных, в которых применяется широкий спектр микросхем и отдельных конструктивных элементов.

Кроме того в современное время техника работает в широких условиях эксплуатации, она подвергается ударам, вибрациям, перегрузкам, должна работать при широком температурном диапазоне, влажности, пыли и многих других вредных воздействиях.

В этой связи, новым очень перспективным шагом является разработка автоматизированной система обеспечения надежности и качества аппаратуры - АСОНИКА, предназначенная для проектирования высоконадежной аппаратуры.

Эта система разработана в Московском Государственном Институте Электроники и Ма-тематики (Технический университет) при участии специалистов центра CALS – технологий (г. Ковров) и лаборатории Триана (г. Красноярск)[1].

Автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры - АСОНИ-КА - мощнейшее средство расчета тепловых, аэродинамических, механических и электриче-ских процессов в проектируемой аппаратуре. Она является интегрированным средством, по-зволяющим также сделать полный расчет показателей надежности. При этом с помощью сис-темы АСОНИКА можно решить задачу диагностирования аппаратуры и контроля режимов ее работы.

Система также содержит большой справочный материал, структурированный в гипертек-стовый справочный комплекс: примеры моделирования технических объектов, экспертные ре-комендации и эвристические приёмы (описания), варианты возможных ошибок конструирова-ния и моделирования, электронные учебники и многое другое.

На кафедре Информационно-измерительных систем и технологий начата работа в рамках написания магистерской диссертации по данной теме.

Рассматриваются вопросы построения виртуальных моделей основных узлов аналоговых приборов, таких как дифференциальный усилитель для работы с термопарой, мультивибратор, электронные усилители на базе системы АСОНИКА.

Для них структурируются определенным образом взаимосвязанные комплексные модели электрических, тепловых и механических процессов. Цель работы: проанализировать измене-ние показателей надежности в жестких условиях эксплуатации, что позволит предложить оп-тимальный метод по ее повышению.

В состав систем входит программный комплекс АСОНИКА-К. Этот комплекс был разра-ботан девяти лет назад и до сих пор продолжается его функциональное развитие. Он предна-значен для расчета показатели безотказности и сохраняемости узлов прибора, эксплуатацион-ной интенсивности отказов с учётом механических режимов работы комплекса (воздействий вибрации, ударов и др.), проводит анализ получившихся результатов и синтезирует рекоменда-ции, направленных на обеспечение требуемого уровня надежности. Одно из последних ново-введений, это возможность расчета полной номенклатуры показателей надежности узлов с раз-личными стратегиями восстановления, структурами и моделями отказов. Этот расчет основан на методе Монте-Карло, раньше такой расчет производился вручную, был очень трудоемким и длительным.


1. Шалумов А., Малютин Н., Кофанов Ю. Автоматизированная система АСОНИКА для проек-тирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1. Энергоатомиздат, 2007 г.


199

2. Бишард Е.Г., Долидзе Р.В. Основы теории надежности средств информационно-измерительной техники: Учеб. пособие, Санкт-Петербург Издательство СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 г. 3. Бишард Е.Г., Долидзе Р.В. Основы метрологической надежности и качества электроизмери-тельной техники: Учеб. пособие, Санкт-Петербург Издательство СПБГЭТУ «ЛЭТИ»,1991г. 4. Автоматизация проектных исследований надёжности радиоэлектронной аппаратуры: Науч-ное издание // Жаднов В.В., Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В. и др. М.: Радио и связь, 2003. 156 с. 5. В. Жаднов /Журнал Chip News #10 2003г. Новые возможности программного комплекса АСОНИКА-К/В. Жаднов, И. Жаднов, С. Замараев, Н. Смирнов, С. Полесский, С. Пращикин, А. Фридер

Ультраструйная технология контроля качества бронеэлементов из конструкционной керамики Р.Р. Сайфутдинов, С.А. Новожилов ЗАО НПП «КлАСС», МГТУ им. Н.Э. Баумана, E-mail: [email protected]

Прогрессивным материалом для изготовления элементов бронезащиты является специаль-

ная конструкционная керамика, в частности на основе оксида алюминия. Однако, обладая вы-сокими бронезащитными свойствами, она характеризуется крайне низкой обрабатываемостью и сложностью контроля качества. В связи с этим, целью данной работы является анализ пер-спектив использования инновационной ультраструйной технологии (УСТ) в решении задач размерной обработки и контроля качества бронеэлементов из защитной оксидной керамики.

Анализ физико-технологических возможностей УСТ показал, что гидроабразивную ульт-раструю можно применять как практически безальтернативное средство размерной сложнокон-турной обработки керамических бронеэлементов, получения бездефектных образцов для испы-таний. При этом нужно учитывать специфику реализации ультраструйного гидроабразивного резания, которая состоит в том, что прочностные и др. свойства обрабатываемого материала (керамики) соизмеримы, а в ряде случаев превышают аналогичные параметры абразивных зе-рен (порошка) вводимых в ультраструю воды.

Кроме того, исходя из рассмотрения физических особенностей гидроэрозионного разру-шения поверхности керамики в месте воздействия сверхскоростной ультраструи (абразивной или жидкостной) можно оценить параметры ее качества: прочность, ударную вязкость и т.п. Это осуществляется путем анализа результатов эрозионного разрушения ультраструей контро-лируемой керамики: геометрических размеров гидрокаверны и керамических частиц, отделив-шихся от поверхности исследуемого образца. Математическая модель процесса диагностирова-ния должна связывать технологическую поврежденность поверхностного слоя керамики с ха-рактеристиками продуктов ее гидроэрозионного разрушения. Тем самым создаются реальные предпосылки для разработки и реализации инженерных методик экспресс-контроля и диагно-стики эксплуатационно-технологического состояния конкретного конструкционного материа-ла, в частности керамического бронеэлемента. Особенно эффектна данная ультраструйная гид-родиагностика для экспресс-оценки и контроля функциональных характеристик керамики на этапе отработки технологии ее получения, т.е. для повышения технико-экономической резуль-тативности технологической подготовки производства.

Предварительные эксперименты по ультраструйной обработке и диагностике бронекера-мических образцов, в соответствии с заявкой на выдачу патента (приоритет от 03.03.09) под-твердили предположение о значительном инновационном потенциале применения УСТ в про-изводстве перспективных средств бронезащиты.

Необходимо подчеркнуть, что применение УСТ является универсальным средством, по-зволяющим проводить размерную обработку бронеэлементов, вырезку образцов для испыта-ний, осуществлять имитирующие воздействия на поверхность брони, а также проводить оценку качества путем диагностирования поверхности. Таким образом, применение на предприятиях,


соответствующего профиля, установок реализующих УСТ позволит решать с их помощью це-лый спектр научно-прикладных и производственных задач, что не позволяет сделать ни одна из других технологий.

Диагностика технических объектов с элементами из нанокристаллических магнитомягких сплавов В.А. Шахнин Владимирский государственный университет, Владимир, ул. Горького, 87, E-mail: [email protected] Развитие современной аэрокосмической техники опирается на использование новых высо-

коэффективных материалов, среди которых особое место занимают нанокристаллические маг-нитомягкие сплавы (НММС) с высоким содержанием кобальта. Особенностью этих материалов является уникальное сочетание механических и магнитных свойств. При большой прочности и пластичности они обладают близкой к нулю магнитострикцией ,высокой начальной магнитной проницаемостью и чрезвычайно низкими потерями энергии на перемагничивание. На основе НММС и радиопоглощающей керамики разработано новое поколение крупногабаритных объ-ектов электромагнитного экранирования для аэрокосмической техники. Работа посвящена ре-шению проблемы их неразрушающего контроля и технической диагностики (НКТД).

Современное малотоннажные производство нанокристаллических сплавов не обеспечива-ет получения материалов с заданными служебными свойствами, т.к. технологические парамет-ры определяются эмпирически, отсутствуют строгие научные представления о механизмах об-разования дефектов. Необходимым производственный многофункциональный контроль техни-ческих объектов с элементами из НММС.

На основе анализа технологического процесса НКТД крупногабаритных технических объ-ектов с элементами из нанокристаллических магнитомягких сплавов определены принципы его автоматизации:

- в качестве физической основы автоматизации целесообразно выбрать многофункцио-нальные методы магнитной локации;

- в теоретическом аспекте автоматизация НКТД должна базироваться на решении обрат-ных измерительных задач;

-необходимо обеспечить разнообразие режимов изменения магнитного состояния объекта контроля и возможность управление ими в соответствии с текущими результатами контроля;

- датчики магнитной локации и информационные средства вторичного преобразования должны обладать свойствами адаптации к особенностям контролируемых объектов и текущим результатам контроля;

- необходимо обеспечить разнообразие траекторий перемещения и возможность корректи-ровки параметров движения датчиков магнитной локации в соответствии с текущими результа-тами контроля;

- методы и устройства обработки информации должны обеспечить эффективное подавле-ние помех, обусловленных реализацией локационных принципов контроля и диагностики.

Установлено, что в наиболее полной мере вышеизложенные принципы позволяет реализо-вать новое направление автоматизации неразрушающего контроля и технической диагностики– автоматизация на базе мехатронных комплексов магнитной локации. Предложена структурная схема мехатронных комплексов. Показано, что возможности мехатронных комплексов магнит-ной локации в решающей степени определяются двумя взаимосвязанными факторами: уров-нем интеллектуализации мехатронных модулей и общими принципами их функционирования, на основе которых модули объединяются в комплекс, т. е. их интеграционной платформой. К числу важнейших функций интеллектуальных мехатронных модулей МКМЛ отнесено сле-дующее: управление движением локационных элементов комплексов; управление процессом перемагничивания объекта локации; обработка сенсорной информации; формирование компь-ютерной модели магнитной локации; анализ и обработка результатов магнитной локации; са-


201

модиагностика и метрологическое обслуживание МКМЛ. В качестве интеграционной платфор-мы объединения интеллектуальных модулей в мехатронный комплекс предложен принцип управления модулями на основе учёта текущих результатов локационного контроля.

Интеллектуальный сенсорный модуль мехатронного диагностического комплекса В.А. Шахнин Владимирский государственный университет, Владимир, ул. Горького, 87, E-mail: [email protected] В работе отражены исследования, целью которых является повышение достоверности нераз-

рушающего контроля и технической диагностики объектов электромагнитного экранирования с элементами из нанокристаллических магнитомягких сплавов c высоким содержанием кобальта. Цель достигается на основе конструктивного, информационного и программного объединения датчиков магнитной локации и датчиков силомоментного очувствления в единый интеллектуаль-ный сенсорный модуль мехатронного диагностического комплекса. Сформулированы принципы построения сенсорных модулей, важнейшими из которых являются следующие:

• система управления сенсорного модуля должна обеспечивать реализацию сложных не-линейные законов управления с использованием информации силомоментного очувствления о параметрах контактирования с объектом контроля;

• важнейшим элементом сенсорного модуля является интеллектуальный регулятор на ос-нове высокопроизводительного цифрового микроконтроллера;

• в основе функционирования интеллектуального регулятора лежит многомерная матема-тическая модель, учитывающая статистический характер взаимосвязи основных параметров датчика и параметров контактирования с объектом локации.

При разработке модуля принципиальным является вопрос о математической модели, связы-вающей его параметры с параметрами контактирования и другими влияющими факторами. На основе этой модели синтезируются управляющие гиперповерхности, представленные в виде спе-циально организованных обучающих массивов данных интеллектуального регулятора. Гибкость диагностического комплекса требует гибкости используемых моделей. В связи с этим предлага-ется использовать совокупность регрессионных моделей, каждая из которых соответствует лишь локальной области обучающей выборки. Для реализации метода локального моделирования ин-теллектуальным регулятором решены следующие принципиальные задачи:

• выбрана аналитическая формула для локальных моделей; • определён способ выделения области применения локальной модели; • предложен критерий выбора размеров этой области; • разработаны способы определения параметров локальных моделей. Две последние задачи являются наиболее важными. Коротко изложим их суть и предло-

женные методы решения. Критерий выбора размеров области применения локальной модели, должен учитывать как

сложность последней, так и количество точек, по которым модель восстанавливается. Обычно используемый критерий минимума функционала среднеквадратической погрешности не учи-тывает сложность модели. В работе показано, что с учётом требований, которые предъявляются к сенсорному модулю как к измерительному преобразователю, целесообразно использовать подход, предложенный В.Н. Вапником для восстановления зависимостей по выборкам ограни-ченного объёма [1]. Этот подход основан на минимизации среднего риска по эмпирическим данным. Новым является то, что в качестве среднего эмпирического риска для сенсорного мо-дуля диагностического комплекса предложено использовать оценку суммарной остаточной дисперсии методических и инструментальных погрешностей измерения регрессоров локальной модели [2].

При выборе способа определения коэффициентов модели принято во внимание следую-щее. В силу специфики моделируемого объекта необходимо обеспечить устойчивость способа к влиянию мешающих факторов (вибрации при перемещении датчика, электромагнитных по-


мех и т.п.), приводящих к появлению аномальных результатов в процессе обучения. Матрица ATA системы нормальных уравнений, построение которой предполагает традиционный метод наименьших квадратов, часто имеет большое число обусловленности. При любом методе ре-шения ошибки во входной информации и ошибки округлений приводят к недопустимым по-грешностям в вычисленных значениях коэффициентов. С учётом этого сделан вывод о целесо-образности использования метода наименьших квадратов в качестве основы способа определе-ния коэффициентов модели, но не в классическом, а в робастном варианте, т.е. в варианте ус-тойчивом к влиянию неблагоприятных факторов. Преодолеть вышеназванные затруднения при проектировании датчиков диагностических комплексов предлагается использованием матрич-ной факторизации, называемой сингулярным разложением. На основе результатов теоретиче-ских и экспериментальных исследований разработано программное обеспечение для системы управления датчиком мехатронного комплекса «МАГНИТ»[3]. Программные средства позво-ляют реализовать метод локального моделирования с использованием сингулярного разложе-ния для определения параметров локальных моделей. В их состав входит универсальная мно-гофункциональная программа DATA и вспомогательные программы работы с файлами данных.

Практическая реализация интеллектуального сенсорного модуля стала возможной лишь в последние годы. Это связано, во-первых, с доступностью 16-битных микроконтроллеров ново-го поколения и цифровых емкостных делителей напряжения с энергонезависимой памятью. Интеллектуальный регулятор модуля выполнен на базе микроконтроллеров PIC 24 компании Microchip. В качестве элемента с управляемой ёмкостью в датчике магнитной локации приме-нены 4-х канальные ёмкостные делители с функциями запоминания семейства ADC52x компа-нии Analog Devices. Вторым важным фактором, позволившим практически реализовать пред-ложенное техническое решение, явилась возможность использовать в качестве материала маг-нитопроводов сенсорного модуля аморфный магнитомягкий сплав (АММС) Fe81Si5B14. Для это-го АММС характерна исключительно высокая относительная магнитная проницаемость (по-рядка 106), обеспечивающая чувствительность датчика, достаточную для регистрации микро-процессов перемагничивания. Низкие удельные потери энергии на перемагничивание (порядка 10-1 Вт/кг при максимальной индукции 1,5 Тл на частоте 400 Гц) позволяют датчику работать в широком диапазоне частот. Индукция насыщения АММС также существенно выше, чем у пер-маллоев (1,5…1,8 Тл). Это в сочетании с применением фольговых обмоток обеспечивает ком-пактность датчика. Кроме того, АММС обладают хорошими механическими свойствами и вы-сокой коррозионной стойкостью, что немаловажно при эксплуатации сенсорного модуля в со-ставе мехатронного диагностического комплекса.


1. Вапник В.Н. Восстановление экспериментальных зависимостей. М.: Наука. 1989. 447 с. 2. Шахнин В.А. Адаптивный датчик для гибких производственных модулей неразрушающего контроля // Датчики и системы. 2008. № 9. С. 8-11. 3. Шахнин В.А. Гибкие производственные модули неразрушающего контроля // Дефектоско-пия. 2008. № 2. С. 76-83.

Система диагностирования эндопротезов тазобедренных суставов при проведении трибологических испытаний

О.В. Щепилина, В.В. Мишин

ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» г. Орёл, Россия E-mail: [email protected] На сегодняшний день заболевания суставов стали глобальной медицинской проблемой,

причиной потери работоспособности миллионов людей. Самой распространенной формой за-болевания суставов является остеоартрит. Его патогенез (механизм развития) имеет трибологи-ческую природу: снижение смазочной способности и появление воспалительного компонента в


203

синовиальной жидкости, ухудшение питания хряща за счет СЖ и развитие в хрящевой ткани (материале трения сустава) дегенеративных процессов, уменьшение антифрикционности и из-носостойкости. На перечисленные факторы накладываются иммунные механизмы, вызываю-щие ухудшение кровообращения и отложения минеральных веществ в тканях суставов, нару-шение конгруэнтности поверхностей трения хряща, недостаточный синтез смазочных компо-нентов СЖ. В связи с этим замена поврежденного сустава искусственным - эндопротезирова-ние, как мобилизирующая операция прочно вошла в ортопедическую практику [1], [2].

Имплантант, как объект технического диагностирования представляет собой сложную сис-тему, и характер взаимодействия его отдельных компонентов зависит от различных факторов, а именно, качества изготовления, конструктивных параметров, эффективности работы искусст-венной суставной жидкости, условий и режимов нагружения. Теоретический анализ факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики эндопротеза, показал, что для определения его фактического состояния при трибологических испытаниях перспективным является примене-ния интегральных методов оценки [3].

Целью данной работы является практическая реализация системы диагностирования эндо-протезов тазобедренных суставов при проведении трибологических испытаний, что позволит собрать максимально возможную информацию о имеющихся дефектах, причинах и механизмах их развития, располагаемом ресурсе компонентов и узла эндопротеза в целом еще на этапе производства.

На сегодняшний день при проведении испытаний ортопедических имплантатов оценива-ются такие параметры, как момент трения или линейный (объемный) износ с использованием специализированного оборудования, которое имитируют нагрузку и характер движения здоро-вого сустава [4], [5]. В связи с тем, что при выборе материала для эндопротезирования главны-ми критериями является биоинертность и износостойкость, в артропластике все чаще приме-няют металлические сплавы (около 10%) и использование существующих методов является технически и экономически не оправданным, что требует поиска нового подхода к вопросу ди-агностирования узла трения эндопротеза [6].

Для решения этой задачи предлагается система диагностирования эндопротезов на этапе испытаний по электрическим параметрам диагностирования, а именно по параметру микро-контактирования, который определяется флуктуациям электрического сопротивления в зоне трения эндопротеза тазобедренного сустава (Рисунок 1).

Устройство имитация движения представляет собой электропривод вращения, кривошип-но-шатунный механизм и шпиндель, где жестко закреплена чашка эндопротеза, которая со-вершает реверсивные колебания относительно неподвижной головки эндопротеза. При опреде-лении значения нагрузки, учитывается, что порой она на порядок превышает вес человека (при экспериментальном исследовании планируется определять «реперные» точки). Так как рабочие поверхности эндопротеза разделяет смазочная пленка – искусственная синовиальная жидкость, толщина которой под действием нагрузки непрерывно изменяется, т.е. возможны местные раз-рушения смазочного слоя в контактах наиболее высоких неровностей и изменяется не только значение сопротивления в зоне трения, а определение частоты и длительности микроконтактов, то предусмотрен выбор измеряемого диагностического параметра. Время испытаний определя-ется как с учетом технологических факторов, а именно времени, которое идет на приработку, так и в связи периодичностью, протекающих процессов, протекающих в зоне трения, так как через какое-то время все компоненты будут находиться в исходном положении.

Рис. 1. Система диагностирования эндопротезов по электрическим параметрам диагностирования


Устройство сопряжения представляет собой аналоговый модуль измерения диагностиче-ской информации, включая первичные преобразователи. Значение выбранного параметра вы-водится на устройство отображения (индикации) информации. Для удобства пользователя пре-дусмотрен блок хранения информации, что позволит сформировать информационную базу для выявления зависимости между действующими факторами и полученными результатами, а так-же оценивать статистические параметры результатов диагностирования, например, среднее значение, математическое ожидание, как наиболее простые и имеющие определенный физиче-ский смысл. Для анализа полученных данных используется блок формирования решений, ко-торый по завершении испытаний позволит выявить причины возникновения дефектов и факто-ры, влияющие на их развитие.

Таким образом, предлагаемая система диагностирования эндопротезов тазобедренных сус-тавов при проведении трибологических испытаний позволит расширить области применения электрических методов диагностирования трибосопряжений и тем самым повысить надежность имплантируемых компонентов, так как дает возможность получить достаточно полную инфор-мации о техническом состоянии и условиях эксплуатации еще на этапе производства и внести коррективы не только в режимы нагружения и смазки, а также предложить мероприятия по усовершенствованию конструкции самого объекта исследования.


1. Zweymuller K., Metal on Metal Hip Prosthesis: Past Performance and Future Directions / K. Zweymuller, A. Deckner,W. Kupfterschmidt, M. Steindl // Clin. Orthop.- 1996.- № 329.- Р. 97-105. 2. Alternative Total TMJ Arthroplasty: Metal-on-Metal for Longevity in Implant Survivorship and Patient Satisfaction [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.astmjs.org/guidelines.html 3. Филиппенко В.А. Эволюция проблемы эндопротезирования суставов [Текст] / В.А. Филли-пенко, А.В. Танькут, // Международный медицинский журнал. – 2009. – Том 15, № 1. С. 70-75. 4. ГОСТ ИСО 9326-2005. Имплантаты для хирургии. Эндопротезы тазобедренного сустава час-тичные и тотальные. Лабораторные оценки опорных поверхностей [Текст].-Введ. 2005-06-30. – М.: Стандартинформ, 2005. – 13 с. 5. ГОСТ Р 52640-2006. Имплантаты для хирургии. Замещение сустава тотальным эндопроте-зом. Определение долговечности работы узла трения эндопротеза тазобедренного сустава ме-тодом оценки крутящего момента [Текст].-Введ. 2006-12-27. – М.: Стандартинформ, 2007. – 9 с. 6. Roberts, P., Grigoris, P., Bosch, H., Talwaker, N, Resurfacing arthroplasty of the hip. Current Or-thopaedics, 2005. 19: p. 263-279

Исследование акустических ... · толщине (54,4 мм). На малой толщине измерения проводились на 3 и 4 импульсах,

Documents