Информационно-измерительный комплекс для исследования реологических, акустических и электрических свойств полимеризующихся составов

В настоящее время развитие измерительной техники и достижения в сфере информационных технологий позволяют значительно расширить возможности проведения экспериментальных научных исследований. С использованием микропроцессорной и компьютерной техники возможно существенное улучшение параметров проведения экспериментов — увеличение точности измерений, их продолжительности, создание новых экспериментальных методов и расширение возможности применения существующих. Фактически любая экспериментальная задача решается с применением средств автоматизации. Такие факторы, как трудоемкость измерительных операций, большие вычислительные затраты, быстро или напротив очень длительно протекающие процессы, необходимость параллельного проведения измерений, биологическая, химическая или другая опасность, связанная с проведением экспериментов, — обосновывают актуальность автоматизации научно-исследовательской деятельности [1,2].

Разрабатываемый в данной работе измерительный комплекс относится к классу информационно-измерительных комплексов для физических исследований. Основное назначение комплекса — исследование динамики физических свойств образцов материалов в широком диапазоне изменения измеряемых параметров, при переходе материала образцов из жидкого состояния в высоковязкое гелеобразное и твердое, в течение длительного времени. При этом измерения определенных для изучения свойств должно проводиться одновременно (параллельно), что делает результаты, полученные различными методами, сопоставимыми между собой.

В рамках данной работы, для изучения, определены три группы параметров: реологические свойства образцов — модуль сдвига, модуль механических потерь, релаксация механических напряженийакустические свойства — скорость звука, коэффициент акустического затухания, дисперсионные характеристикиэлектрические свойства — объемное электрическое сопротивление по постоянному току. Разрабатываемые в данной работе способы и средства автоматизации измерений позволят решать как научные задачи, связанные с изучением кинетики процессов структурирования композиционных материалов, в частности исследование процесса отверждения полимеризую-щихся образцов различного состава, так и различные прикладные инженерно-технические задачи по измерению и контролю физических параметров материалов.

Целью настоящей работы является разработка информационно-измерительного комплекса для исследования динамики физических характеристик образцов материалов в различных физических состояниях и при переходе из одного состояния в другое.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Изучение существующих методов и средств измерения и регистрации реологических и акустических параметров вязкоупругих материалов.

2. Разработка способа измерения, позволяющего проводить исследование свойств образца при переходе из жидкого состояния в твердое и создание на его основе автоматизированной системы для измерения реологических характеристик материала образца.

3. Разработка и создание автоматизированных систем для непрерывных измерений акустических и электрических параметров образцов при переходе из жидкого состояния в твердое.

4. Обеспечение сопряжения информационно-измерительных устройств и приборов с ЭВМ. Разработка пользовательских и программных интерфейсов для доступа к функциям устройств, программного управления, дистанционного контроля состояния и информационного опроса приборов.

5. Разработка универсального для всех систем измерительного комплекса алгоритма, обеспечивающего совместный ход измерительных процессов при одновременном изучении нескольких групп свойств.

6. Разработка управляющего программного обеспечения измерительного комплекса и вспомогательных программ для автоматического выполнения измерительных операций, обработки и визуализации результатов.

7. Исследование метрологических характеристик разработанного измерительного комплекса.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались теория и методы экспериментальных исследований, нераз-рушающего контроля, теория дифференциальных уравнений, теория и математический аппарат Фурье и вейвлет-преобразований, теория объектно-ориентированного программирования и построения многопоточных приложений, теория межпроцессных коммуникаций в операционных системах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена и реализована методика проведения одновременных измерений нескольких физических параметров, основанная на совместном выполнении измерительных процессов в едином измерительном комплексе.

2. Предложен алгоритм параллельного выполнения вычислительных потоков программного обеспечения имеющих участки программного кода критичного ко временн выполнения в многозадачных операционных системах с разделением времени.

3. Предложен способ, разработана и реализована методика автоматизированного измерения модуля сдвига и модуля механических потерь в образцах полимернзующихся материалов в различных физических состояниях, в процессе отверждения.

4. Предложена методика и разработано устройство для автоматизированного изучения процессов релаксации механического напряжения и деформации образцов полимернзующихся материалов в процессе отверждения.

5. Предложена и программно реализована методика расчета, построения и анализа частотно-временных разверток акустических сигналов с использованием математического аппарата непрерывного вейвлет преобразования.

Практическая значимость работы:

1. Разработан и создан информационно-измерительный комплекс для исследования реологических, акустических и электрических свойств полиме-ризующихся составов.

2. На основе разработанного аппаратно-программного обеспечения измерительного комплекса создана система акустического мониторинга состояния строительных конструкций.

3. Разработанное программное обеспечение: системное — для автоматизации работы измерительных приборов и устройствприкладное — для визуализации и обработки массивов получаемых данных.

Реализация результатов работы. Разработанный информационно-измерительный комплекс использовался в лаборатории физико-технических измерений ГОУ ВПО «ТОГУ» при выполнении НИР по теме № 1.1.06 Ф «Исследование физических механизмов формирования структуры вещества при фазовом переходе жидкость — твердое тело», при выполнении работ по договору с Министерством экономического развития Хабаровского края № 15−354 от 02.02.2007 «Разработка методов автоматизированного контроля реологических свойств вязких жидкостей».

Система измерения реологических параметров использована в производственной деятельности ООО «Алькан-ДВ» (г.Хабаровск), для исследования вязкостных свойств эпоксидофторопластов.

Программно-аппаратное обеспечение системы измерения акустических параметров внедрено в составе системы акустического мониторинга состояния строительных конструкций в КГУП «Хабаровскгражданпроект».

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами (приложение 3).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структурная схема информационно-измерительного комплекса для изучения реологических, акустических и электрических свойств образцов полимеризующихся составов.

2. Структура и алгоритмы работы программного обеспечения измерительного комплекса: измерительных модулей, модулей обработки и визуализации результатов.

3. Способ и методика измерения модуля сдвига и модуля механических потерь, параметров релаксации механического напряжения образцов полимеризующихся материалов в различных физических состояниях в процессе отверждения.

4. Системы измерения акустических параметров и электрического сопротивления образцов полимеризующихся составов.

5. Методика и программная реализация алгоритма построения и анализа частотно-временных разверток рядов отсчетов акустических сигналов с использованием математического аппарата непрерывного вейвлет преобразования.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы обсуждались на 16 сессии российского акустического общества (Москва, 2005) — на пятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Хабаровск, 2005 г.) — на международном российско-корейском симпозиуме «Signal Transition, Processing, Sensor and Monitoring Systems» (Хабаровск, 2006 г.) — на международном восьмом российско-китайском симпозиуме «Modern Materials and Technologies» (Хабаровск, 2006 г.) — на седьмой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях рекомендованных ВАК, 3 — в иностранных изданиях и сборниках международных конференций, 3 работы в вузовских сборниках научных трудов и сборниках региональных конференций, 1 патент на изобретение и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в разработке способа и методики измерения реологических параметров вязкоупругих материалов, разработке аппаратно-программных средств автоматизации измерительных процессов, а также разработке и исследовании алгоритмов обработки результатов измерений.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста и содержит 51 рисунка, 11 таблиц, 114 наименований библиографических источников и 4 приложения.

5.4 Основные результаты главы 5.

1. Разработана автоматизированная система измерения электрических параметров по переменному и постоянному току. Разработанная система в составе измерительного комплекса обеспечивает регистрацию информационных параметров: ЭДС с датчика усилия (измерение реологических параметров), ЭДС с термопары (контроль стабильности температуры образца при измерении акустических параметров).

2. Показана возможность применения измерительной системы для определения удельного объемного электрического сопротивления полимеров в процессе структурирования. Основной особенностью системы является возможность измерения электросопротивления в широких пределах по мере структурирования и отверждения образца при большой продолжительности эксперимента. Система обеспечивает измерение электросопротивления в соответствии с приведенными метрологическими характеристиками, в течение 24 часов при непрерывном режиме измерения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основной целью данной работы являлась разработка информационно измерительного комплекса для измерения физических характеристик образцов материалов в различных физических состояниях и при переходе из одного состояния в другое.

В процессе проектирования измерительного комплекса были решены следующие основные задачи:

1. Проанализированы основные этапы процесса автоматизации и подходы к построению универсальных измерительных комплексов. Предложена концепция одновременного исследования нескольких групп физических свойств образцов в различных физических и фазовых состояниях в непрерывном параллельном режиме измерения, при неизменных условиях. Разработана схема информационно-измерительного комплекса на базе модульной IBM совместимой ЭВМ.

2. Разработан способ и методика изучения реологических свойств: модуля сдвига, модуля механических потерь материалов в широком диапазоне, от сильновязкого — до твердого стекловидного состояния. На основе разработанного метода создана измерительная система, структурно являющаяся частью информационно-измерительного комплекса. Проведена оценка погрешностей измерения модуля сдвига, модуля потерь для различных стадий процесса.

3. Разработан способ и методика изучения релаксации механического напряжения и деформации в образцах в процессе перехода из жидкого состояния в твердое.

4. Разработаны автоматизированные системы для изучения акустических и электрических параметров образцов в широких пределах, в том числе при переходе из одного физического состояния в другое. Данные системы так же реализованы в составе единого универсального измерительного комплекса для физических измерений. Проведена оценка погрешностей измерения скорости звука, коэффициента затухания, сопротивления и удельного сопротивления образцов для различных стадий процесса.

5. В процессе проектирования измерительных систем предложен ряд технических решений по сопряжению имеющихся информационно-измерительных устройств и приборов с ЭВМ. Разработаны пользовательские и программные интерфейсы для программного доступа к функциям устройств, удаленного управления, контроля состояния и информационного опроса устройств.

6. Разработано программное обеспечение измерительного комплекса, обеспечивающее совместный ход измерительных процессов на всех системах, то есть одновременное изучении трех групп свойств с возможностью индивидуальной настройки программы измерения для каждой системы.

7. С использованием математического аппарата непрерывного вейвлет преобразования разработана методика и программное обеспечение для частотно-временного анализа рядов данных акустических сигналов.

8. Разработан ряд вспомогательных программ — утилит, для визуализации обработки и анализа первичных данных получаемых с измерительных систем. программа для визуализации, трассировки и конвертации рядов данных (колебательный процесс в системе измерения реологических параметров, акустические сигналы в системе измерения акустических параметров). модуль выполнения непрерывного вейлет-преобразования рядов данных. модуль визуализации частотно-временных разверток рядов данных.

9. На разработанном измерительном комплексе проведены тестовые измерения реологических акустических и электрических характеристик образцов полимеризующихся составов.

10. На базе аппаратного обеспечения и программных модулей универсального измерительного комплекса реализована система акустического мониторинга состояния строительных конструкций и сооружений. Проведены натуральные эксперименты по исследованию деструктивных процессов в нагруженном кирпичном простенке.

11. Проведена оценка погрешности измеряемых параметров.

Разработанный информационно-измерительный комплекс использовался в лаборатории физико-технических измерений ГОУ ВПО «ТОГУ» при выполнении научно исследовательских и хоздоговорных работ.

Система измерения реологических параметров использована в производственной деятельности ООО «Алькан-ДВ» (г.Хабаровск), для исследования вязкостных свойств эпоксидофторопластов.

Программно-аппаратное обеспечение системы измерения акустических параметров внедрено в составе системы акустического мониторинга состояния строительных конструкций в КГУП «Хабаровскгражданпроект».

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами (приложение 3).

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях рекомендованных ВАК, 3 — в иностранных изданиях и сборниках международных конференций, 3 работы в вузовских сборниках научных трудов и сборниках региональных конференций, 1 патент на изобретение и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.