CC BY
48
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ В ТОНКИХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ КАПИЛЛЯРНОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
М.П. Беляев1, В.П. Беляев1, А.Г. Дивин2
Кафедры «Переработка полимеров и упаковочное производство» (1), «Управление качеством и сертификация» (2), ГОУВПО «ТГТУ»; polymers@asp.tstu.ru
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: гальванический преобразователь содержания растворителя в твердой фазе; капиллярно-пористый материал; коэффициент диффузии; неразрушающий контроль; полярный растворитель.
Аннотация: Рассмотрена автоматизированная система неразрушающего контроля коэффициента диффузии растворителей в тонких изделиях из капиллярно-пористых материалов, которая обеспечивает автоматизированное проведение эксперимента, измерение и регистрацию в режиме реального времени необходимой экспериментальной информации и расчет по разработанным алгоритмам искомой характеристики.
Обозначения
Б - коэффициент диффузии, м2/с;
П, г2, ■ ■ ■, гп - расстояние от гальванического преобразователя до источника массы, м; Е(п, т), Е(г2, т), ..., Е(гп, т) - ЭДС гальванических преобразователей, В;
Етах - критическое значение ЭДС, В;
Q - количество жидкой фазы, наносимое в течение импульса, кг;
и(г1, т), и(г2, т), ., и(гп, т) - концентрация растворителя в твердой фазе в точках расположения гальванических преобразователей, кг/кг;
г - пространственная координата, м; т - время, с;
ттах - время достижения максимума на кривой и(г0, т), с.
На основании предложенного в работе [1] метода определения коэффициента диффузии полярных растворителей в тонких изделиях из капиллярно-пористых материалов разработана и изготовлена автоматизированная система неразрушающего контроля (АСНК) (рис. 1). Расчетная формула для определения коэффициента диффузии имеет вид
Б = го/(4ттах ).
В работе [2] показано, что искомый коэффициент может определяться без предварительной градуировки применяемых датчиков концентрации растворителей в твердой фазе, так как ттах может быть найдено по максимуму на кривой изменения электродвижущей силы применяемых гальванических преобразователей.
Автоматизированная система неразрушающего контроля включает в свой состав:
- измерительный зонд 3, укомплектованный точечным источником массы растворителя Q и электродами 4, 5 пяти пар гальванических преобразователей локальной концентрации растворителей в исследуемом листовом капиллярно-пористом материале, расположенными на концентрических окружностях различных радиусов: ri, Г2, ..., rn относительно точки импульсного воздействия;
- коннектор 6, к которому подключены электроды 4, 5 гальванических преобразователей, расположенный на измерительном зонде 3;
- многофункциональная плата сбора данных PCI-1202H фирмы ISP DAS (Тайвань) 7;
- персональный компьютер 8.
Многофункциональная плата сбора данных PCI-1202H размещается в слоте
PCI персонального компьютера. Она имеет в своем составе АЦП, ЦАП и дискретный выход DO для формирования управляющего сигнала.
В разработанной АСНК аналоговый мультиплексор подключает к усилителю платы PCI-1202H поочередно один из пяти гальванических датчиков измерительного зонда с частотой 44 кГц. С помощью АЦП получают цифровые эквиваленты входных сигналов, которые сглаживаются, фильтруются и подвергаются обработке в соответствии с разработанным алгоритмом.
Программа управления экспериментом, обработки экспериментальных данных и их визуализации разработана в среде LabView 9.0. На рис. 2 представлен вид панели управления ходом эксперимента с результатами опыта.
Рис. 1. Структурная схема АСНК диффузии растворителей в тонких изделиях из листовых капиллярнопористых материалов
Рис. 2 Вид панели управления экспериментом с результатами опыта
Предлагаемый метод сравнительно просто организуется экспериментально. На рис. 3 представлена поточная диаграмма осуществления измерительных операций реализованного в АСНК метода неразрушающего контроля коэффициента диффузии растворителей в тонких капиллярно-пористых материалах.
С Начало 3
1 Выдержка изделия из листового капиллярно-пористого материала при заданной упругости паров растворителя для создания требуемого начального распределения растворителя в нем По в течение заданного времени тт;п. Или использование «сухого» материала (в отсутствие распределенного растворителя) - без предварительной выдержки
г
2 Размещение на поверхности образца зонда с импульсным точечным источником массы и расположенными на концентрических окружностях электродами гальванических преобразователей
1
3 Ввод исходных параметров п, гі, Г2, ..., гп и др., необходимых для работы АСНК
і
4 Измерение начальных значений ЭДС гальванических преобразователей
1
5 Импульсное точечное «увлажнение» поверхности исследуемого материала заданной порцией растворителя из дозатора с одновременным запуском работы АСНК
6 Автоматическое измерение и регистрация значений ЭДС гальванических преобразователей £(гі,т), Е(г2,т), ., Е(гп,т) в режиме реального времени
7 Автоматическое игнорирование датчиков, ЭДС которых достигает критического значения Етах, соответствующего переходу растворителя в область свободного (несвязанного) состояния
і
8 Определение времени достижения максимумов на кривых изменения ЭДС оставшихся гальванических преобразователей и расчет значений искомого коэффициента диффузии.
9 Сохранение первичных экспериментальных данных и результатов расчетов в базе данных
ч г
10 Текстовое и звуковое сообщение об окончании эксперимента
(^^^кончание"'^)
Рис. 3. Поточная диаграмма осуществления измерительных операций разработанного метода
Таким образом, для определения коэффициента диффузии не требуется измерение реальных изменений концентраций растворителя и(г\, т), и(г2, т), ..., и(гп, т), что связано с проведением длительных и трудоемких работ по градуировке датчиков концентрации для каждого исследуемого капиллярно-пористого материала и распределенного в нем растворителя.
В табл. 1 и 2 в качестве примера представлены результаты определения коэффициента диффузии этанола в образцах из фильтровальной бумаги и хлопковой ткани.
Таким образом, представленная АСНК позволяет осуществить измерение коэффициентов диффузии растворителей в различных материалах без дополнительной градуировки измерительных приборов, что существенно повышает оперативность исследований. Созданная АСНК для определения коэффициента диффузии полярных растворителей в изделиях из пористых материалов позволяет не только повысить точность измерений требуемых параметров, но и уменьшить продолжительность эксперимента. В частности, при измерении коэффициента диффузии
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований коэффициента диффузии этанола в фильтровальной бумаге (>о = 4-10“3 м)
№ опыта Время достижения максимума кривой Е(г, т), с Коэффициент диффузии Д-109, 2/ м /с Математическое ожидание D • 109, м2/с Абсолютная погрешность измерения АБ = (Д - Б)-109, м2/с AD,2 • 1018, м4/с2 Относительная погрешность измерения, %
1 563,3 7,08 + 1,32 1,7319
2 616,9 6,48 + 0,72 0,5242
3 736,4 5,43 - 0,33 0,1076
4 787,6 5,08 - 0,68 0,4638
5 825,8 4,84 - 0,92 0,8391
6 722,3 5,54 - 0,22 0,0493
7 862,1 4,64 - 1,12 1,2544
8 594,9 6,72 + 0,96 0,9293
9 631,7 6,33 + 0,57 0,3272
10 11 886,1 854,0 4,51 4,68 5,76 - 1,25 - 1,08 1,5525 1,1578 7,1
12 709,1 5,64 - 0,12 0,0142
13 566,1 7,07 + 1,31 1,7056
14 653,2 6,12 + 0,36 0,1325
15 627,5 6,37 + 0,61 0,3770
16 805,5 4,97 - 0,79 0,6304
17 582,3 6,87 +1,11 1,2299
18 618,4 6,47 +0,71 0,5013
19 763,9 5,24 - 0,52 0,2746
20 782,9 5,11 - 0,65 0,4238
Результаты экспериментальных исследований коэффициента диффузии этанола в хлопковой ткани (го = 1,5*10_3 м)
№ опыта Время достижения максимума кривой E(r, т), с Коэффициент диффузии Dt -1010, 2/ м /с Математическое ожидание D • 1010, м2/с Абсолютная погрешность измерения AD = (Dj -D)-1010, 2 м /с О (N 2 2 Si Относительная погрешность измерения, %
1 857,5 6,56 - 1,86 3,4596
2 571,6 9,84 + 1,42 2,0164
3 584,7 9,62 + 1,20 1,4400
4 755,0 7,45 - 0,97 0,9409
5 742,1 7,58 - 0,84 0,7056
6 760,1 7,40 - 1,02 1,0404
7 796,7 7,06 - 1,36 1,8496
8 708,4 7,94 - 0,48 0,2304
9 539,3 10,43 + 2,01 4,0401
10 11 554,7 558,0 10,14 10,08 8,42 + 1,72 + 1,66 2,9584 2,7556 7,3
12 627,1 8,97 + 0,55 0,3025
13 598,4 9,40 + 0,98 0,9604
14 805,9 6,98 - 1,44 2,0736
15 821,2 6,85 - 1,57 2,4649
16 781,3 7,20 - 1,22 1,4884
17 574,0 9,80 + 1,38 1,9044
18 788,9 7,13 - 1,29 1,6641
19 638,5 8,81 + 0,39 0,1521
20 614,1 9,16 + 0,74 0,5476
этанола в целлюлозных фильтрах и тканях погрешность результатов измерений не превышает 8 % при доверительной вероятности 0,95, длительность эксперимента -не более 15 мин (см. табл. 1 и 2).
Список литературы
1. Беляев, М.П. Неразрушающий экспресс-контроль коэффициента диффузии полярных растворителей в тонких изделиях / М.П. Беляев, В.П. Беляев // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2008. - Т. 14, № 1. - С. 41-47.
2. Пат. 2199106 РФ, МПК7 G 01 N 15/08, 27/00. Способ определения коэффициента влагопроводности листовых капиллярно'-пористых материалов / Беляев П.С., Гладких В. А., Сафронова Е.Н., Беляев М.П. ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2000130439 ; заявл. 04.12.2000 ; опубл. 20.02.2003, Бюл. № 5. -5 с.
Automated System of Non-Destructive Control over the Diffusion Coefficient of Solvent in the Products Made from Capillary-Porous Materials
М.P. Belyaev1, V.P. Belyaev1, A.G. Divin2
Departments: «Polymer Processing and Packaging» (1),
«Quality Control and Certification» (2), TSTU; polymers@asp.tstu.ru
Key words and phrases: capillary-porous material; diffusion coefficient; galvanic converter of solvent content in solid phase; non-destructive control; polar solcent.
Abstract: Automatic system of nondestructive control over solvent diffusion coefficient in fine products made of capillary-porous materials is studied. This system enables automatic experiment running, measurement and monitoring of all experimental data in real time as well as desired parameter calculation according to elaborated algorithm.
Automatisiertes System der nichtzerstörenden Kontrolle des Koeffizientes der Diffusion der Lösungen in den dünnen Erzeugnissen aus den kapillar-porösischen Stoffen
Zusammenfassung: Es wird das automatisierte System der nichtlöschbaren Kontrolle des Diffusionskoeffizienten der Lösungsmittel in den feinen Erzeugnissen aus den kapillarno-porösen Materialien betrachtet, die die automatisierte Versuchsdurchführung, die Messung und die Registrierung im Echtzeitbetrieb der notwendigen experimentalen Informationen und die Berechnung nach den ausgearbeiten Algorithmen die notwendige Charakteristik gewährleistet.
Système automatisé du contrôle non destructif du coefficient de la diffusion des solvants dans les produits fins à partir des matériaux poreux capillaires
Résumé: Est examiné le système automatisé du contrôle non destructif du coefficient de la diffusion des solvants dans les produits fins à partir des matériaux poreux capillaires qui assure le comportement de l’expériment automatisé, la mesure et l’enregistrement dans le régime du temps réel de l’information expérimentale nécessaire ainsi que le calcul d’après les algorithmes de la caractéristique recherchée.
Авторы: Беляев Максим Павлович - соискатель кафедры «Переработка полимеров и упаковочное производство»; Беляев Вадим Павлович - магистрант; Дивин Александр Георгиевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление качеством и сертификация», ГОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Гатапова Наталья Цибиковна - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Химическая инженерия», ГОУ ВПО «ТГТУ».
