CC BY
9
при различных режимах нагрузки дизель-генераторной установки; в случае равномерной загрузки цилиндров, оцениваемой максимальным давлением сгорания, анализ рабочего процесса в целом по дизелю можно выполнять по некоторой «средней» индикаторной диаграмме, рассчитанной с учетом средних параметров работы ДГУ;
приведенная математическая модель позволяет отказаться от прямого индицирования дизеля, что существенно снижает затраты времени и средств на его проведение. При этом результаты моделирования могут оказаться более достоверными, поскольку исключаются ошибки, возникающие при проведении измерений.
-10 0 10 20 град 40
9 -►
Рисунок 6 - Расчетные индикаторные диаграммы дизеля 10Д100 для различных долей сгоревшего топлива:
— опытная диаграмма; ....... ■ — при хг = 0,95
Список литературы
1. Малышев, В. С. Техническая диагностика двигателей методом косвенного индицирования [Текст] / В. С. Малышев, А. Ю. Корегин // Сб. науч. статей. Всероссийская науч.-техн. конф. «Наука и образование 2002» / МГТУ. М., 2002.
2. Вибе, И. И. Новое о рабочем процессе двигателя [Текст] / И. И. Вибе. — Свердловск: Машгиз, 1962. — 272 с.
3. Кавтарадзе, Р. 3. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учебное пособие [Текст] / Р. 3. Кавтарадзе / МГТУ им. Н. Э. Баумана. — М., 2007. — 472 с.
УДК 629.4.083:543.423.1
А. А. Кузнецов, А. В. Глазырин, А. В. Шахов
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ НА ТРАНСПОРТЕ И В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В данной работе рассмотрены вопросы совершенствования автоматизированных систем атомно-эмиссионного спектрального анализа для контроля качества материалов на транспорте и в промышленности. Предлагаются пути повышения точности, достоверности и расширения традиционного назначения таких
систем за счет совершенствования программного обеспечения на основе запатентованных способов и устройств.
Системы контроля качества материалов в настоящее время широко используются на транспорте и в промышленности при ремонте и изготовлении сложной техники, к которой относится подвижной состав железных дорог. Большое внимание отводится надежности и безопасности технических средств подвижного состава. В условиях локомотивного депо и ремонтных предприятий ежедневно приходится сталкиваться с деталями, выполненными из разнообразных материалов. При этом недопустима подмена одной марки материала другой, поскольку возникает опасность невыполнения заложенных физико-механических свойств, таких как прочность, упругость, коррозионная стойкость и др.
Использование автоматизированных систем контроля предполагает принятие решения без участия человека. Большое значение уделяется переносу накопленного опыта специали-стов и его воплощению в методическом и программном обеспечении автоматизированных систем контроля. В работе рассматриваются некоторые аспекты совершенствования прибо-ров контроля состава материалов, а именно повышение помехоустойчивости и точности, автоматическое распознавание анализируемых элементов примесей в материалах и расширение их функционального назначения. Одним из лучших малогабаритных спектрометров является «Аргон-5СФ», выпускаемый ООО «Спектрософт» (рисунок 1).
Атомно-эмиссионный спектральный анализ (АЭСА) широко используется для определения марок различных сплавов на основе меди, алюминия, железа и др. Однако АЭСА является не устойчивым во времени из-за нестабильности генераторов спектрального излучения.
Для проведения анализа количественного состава материала выполняют предварительную калибровку по комплектам стандартных образцов (СО) с известным составом примесей. В результате для каждого материала или группы материалов получают градуировочную зависимость в виде С = У(/о) или ^С = 0), где С - количественное содержание анализируемого элемента, /0 = ///ср - относительная интенсивность спектральной линии, выражаемая отношением интенсивности спектральных линий анализируемого элемента и его линии сравнения.
В производственных условиях на процесс измерения количественного состава материала воздействует совокупность влияющих факторов, которые носят случайный характер. Под действием указанных факторов градуировочные графики изменяют свое положение, которое выражается в смещении и изменении угла наклона в случае линейной аппроксимации.
Примеры градуировочных графиков относительно простого цинкового сплава типа ЦАМ4-1, построенных в разное время (сентябрь, ноябрь 2009 г. и февраль 2010 г.), показаны на рисунках 2 - 5.
Рисунок 1 - Внешний вид спектрометра «Аргон-5»
Концентрация -►
Рисунок 2 — Градуировочный график А1 (308,22 нм), линия сравнения — Хп (307,59 нм), Я2 = 0,782
Рисунок 3 — Градуировочный график Си (324,75 нм), линия сравнения — Хп (307,59 нм), Я2 = 0,913
Для построения графиков на рисунках 2, 3 использованы аналитические линии Си (324,75 нм), А1 (308,22 нм), в качестве линии сравнения использована линия Хп (307,59 нм). Анализ зависимостей, приведенных на рисунках 2, 3, показывает, что график алюминия со временем существенно изменяет свое положение (Я2 = 0,782), в то время как медь находится в относительно стабильном состоянии
(Я = 0,913). Это можно объяснить тем, что линия сравнения не соответствует аналитической линии алюминия (аналитическая пара не является гомологичной), в то время как линии меди Си (324,75 нм) и цинка Хп (307,59 нм) образуют гомологичную пару.
Относительная интенсивность ^ -1 -1 N N Ы Ы 4 Э5050505С
♦
♦ ♦
О 0,5 1 1,5 у 2 Концентрация -^
Рисунок 4 — Градуировочный график А1 Рисунок 5 — Градуировочный график Си
(308,22 нм), линия сравнения — Хп (301,84 нм), (324,75 нм), линия сравнения — Хп (301,84 нм),
Я2 = 0,964 Я2 = 0,753
Использовав другую линию сравнения из того же набора зарегистрированных спектров для тех же аналитических линий — Си (324,75 нм), А1 (308,22 нм) — по отношению к линии Хп (301,84 нм), на рисунках 4, 5 увидим обратную картину — стабильности графиков алюминия и изменения положения графика меди. Теперь свойство гомологичности соответствует 2 2 паре А1/Хп (Я = 0,964), и не соответствует паре Си/Хп (Я = 0,753). Все представленные линии
рекомендованы ГОСТ 17261-77 и 23328-95 на проведение спектрального анализа цинковых сплавов.
Представленные примеры иллюстрируют сложность в определении оптимальных анали-тических пар с точки зрения получения устойчивых градуировочных графиков. Гели при па-
раллельном смещении графиков можно компенсировать систематические погрешности методом контрольного эталона, то наличие мультипликативных погрешностей методом контрольного эталона не компенсируется, что может вызывать значительные по величине ошибки в конечном результате анализа.
Идея предлагаемого способа получения устойчивых градуировочных графиков заключается в использовании вместо относительной интенсивности 1о некоторой функции, аргументами которой кроме линии анализируемого элемента являются несколько линий сравнения, имеющих различные параметры яркости и потенциалов возбуждения - 1ср1, 1ср2, 1ср3) [1].
Современные многоканальные устройства регистрации спектров позволяют регистрировать линии в широком диапазоне длины волн, а современное программное обеспечение - построить градуировочный график по функции с аргументами, состоящими из параметров нескольких спектральных линий.
Построение устойчивых градуировочных графиков. На практике трудно оценить факторы, влияющие на смещение градуировочных зависимостей. Чаще всего на смещение графиков действует совокупность факторов, вызывающих изменение интенсивности спектральных линий. Изменение угла наклона графика можно объяснить различными потенциалами возбуждения и летучестью спектральных линий аналитической пары, поэтому они по-разному реагируют на изменение условий проведения эксперимента. На рисунке 6 показана интенсивность спектральных линий 674 образца сплава ЦАМ4-1 (Са1 = 4,52), взятая из наиболее отличающихся калибровок на рисунка 2 (сен 09 и ноя 09).
Длина волны
Рисунок 6 - Интенсивность линий аналитической пары 674 СО ЦАМ4-1, полученная при различных условиях
Для учета различных энергетических показателей спектральных линий при построении градуировочных графиков предлагается использовать функцию вида:
^ =
а0 Л)
а11ср1 + а21ср 2 + аз Ьр3
(1)
где 10 - интенсивность спектральной линии анализируемого элемента;
1ср1, 1ср2, 1ср3 - интенсивность линий сравнения, имеющая различные энергетические показатели;
а0, а1, а2, а3 - весовые коэффициенты.
Задача использования такой функции заключается в подборе весовых коэффициентов для построения устойчивых градуировочных зависимостей. Подбор коэффициентов выполнен оптимизацией методом крутого восхождения.
Дополнительные условия, накладываемые при осуществлении оптимизации, — коэффициенты а1, а2, а3 — следует изменять, если потенциал возбуждения линии анализируемого элемента /0 находится между потенциалами линий сравнения /ср1, /ср2, /ср3. Если же потенциал возбуждения линии анализируемого элемента /0 больше или меньше потенциалов линий сравнения /ср1, /ср2, /ср3, то оптимизацию следует проводить с варьированием параметра а0.
Градуировочные графики традиционно строятся в координатах /0 ^ С, где концентрация С отождествляется с осью абсцисс (С = х), интенсивность — с осью ординат (/ = у). В предлагаемом способе калибровки прибора с осью ординат отождествляется значение устойчивой функции (Р = у).
Оптимизацию устойчивой функции по коэффициентам а0, а1, а2, а3 следует выполнять для различных условий проведения эксперимента, при котором графики в координатах /0 ^ С имеют существенное расхождение. При этом в координатах Р ^ С графики будут сближаться. В качестве функции отклика выбран коэффициент парной корреляции, рассчитанный для различных серий экспериментов.
Для расчета весовых коэффициентов применялся метод крутого восхождения по поверхности отклика. Для непрерывной однозначной функции кратчайшее направление к вершине описывается градиентом
„ Эф . Эф . Эф
^ 13 +...+ зк , (2)
дх1 дх2 дхк
где Уф — обозначение градиента; Эф
дхк
— частные производные по к-му фактору;
/, 3, к — единичные векторы в направлениях координатных осей.
В нашем случае, объединив выражения (1), (2), получим систему уравнений для оптимизации:
а0 х0
у = —
ах х^ ^ а2 х2 ^ а3 х^
(3)
= Е(х- ~х )(у- ~ у) (х- - хЕ (у- - у)2'
Поскольку уравнения в системе (3) не являются непрерывными и значения аргументов представляют собой наборы дискретных значений, решение системы выполнялось численными методами с регулированием шага восхождения.
В результате оптимизации получены значения коэффициентов а0, а1, а2, а3 для градуировочных графиков, устойчивых к изменению внешних условий проведения эксперимента.
Результаты построения устойчивых градуировочных графиков, соответствующих данным рисунков 2 — 5, приведены на рисунках 7, 8. Анализ зависимостей на рисунках 7, 8 показал, что разброс точек относительно среднего значения в обоих случаях уменьшился (Я2 = 0,984; Я2 = 0,981).
12 3 4
Концентрация -
Концентрация
Рисунок 7 - Градуировочный график А! (308,22 нм) и линий сравнения 2п (307,59 нм), 2п (307,21 нм), 2п (301,84 нм), Я2 = 0,984
Рисунок 8 - Градуировочный график Си (324,75 нм) и линий сравнения 2п (307,59 нм), 2п (307,21 нм), 2п (301,84 нм), Я2 = 0,981
Идентификация положения спектральных линий. Задачей предлагаемого способа обработки данных является повышение точности идентификации и измерения параметров спектральных линий [2]. Для повышения точности идентификации и последующего измерения параметров спектральных линий предлагается применять алгоритм, использующий сравнение двух спектров - эталонного и измеренного.
Для создания эталонного спектра используют моделирование его участков, содержащих анализируемую линию с характерными линиями, всегда присутствующими в спектре рассматриваемого материала, математическим выражением. Математическое выражение эталонного спектра принято с целью экономии вычислительных ресурсов управляющего компьютера.
Выполняется совмещение мгновенных значений измеренного спектра и аналитического выражения эталонного спектра. Степень соответствия оценивается взаимной корреляционной функцией при смещении эталонного спектра относительно измеренного на величину интервала поиска т.
В качестве материнского вейвлета использовалась упрощенная функция Гаусса:
к-1
^ (г) = / + ^ I. • вашБ
} =0
Г \
I - ь
. У
(4)
С л\
где Оатз (г) = ехр
г - аргумент функции, выражающий изменение длины волны в спектре; Ь - длина волны максимума интенсивности заданной линии; I - максимум интенсивности заданной линии; п - коэффициент разрешения спектрального прибора; к - число характерных линий «окна» вблизи исследуемого элемента; / - пороговое значение фона при сканировании спектра.
Для определения положения линии анализируемого элемента из числа к характерных линий в рассматриваемом окне ему присваивается порядковый номер е < к. Далее осуществляется поиск максимума или площадь под пиком интенсивности линии анализируемого элемента 1е , которая участвует в последующих расчетах количественного содержания.
Графики измеренных (сплошная линия) и эталонных (пунктирная линия) спектров, полученных путем их вейвлет-моделирования для алюминиевого сплава типа АК-5, приведены на рисунках 9, 10. В качестве измеренных показаны участки спектров, содержащие линии анализируемых элементов примесей Si (252,82 нм); А} (265,2 нм); Fe (273,9 нм); Mg (285,2 нм); Мп (293,3 нм); А1 (305,01 нм) Си (324,7 нм) и характерные линии, всегда присутствующие в выбранном окне.
\
л н о о К ю к о К <и н К
к
Ш0
80
60
■С
20
1 252 •А 1
1 1
! ! й | д 1 л 1 1 1 1
"Ш. Ж № Лл Ж м пс ч \ \fflj\z да к "Ш К ад
0 100 200 300 400 500 600 700 300 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Номер пикселя -►
Рисунок 9 — Графики измеренного и эталонного спектров для (252,82 нм): к = 3; е = 3; / = (39, 45, 41); Ь = (43, 132, 239); п = 2; / = 10.
Для распознавания нужных аналитических линий, их наличия в спектре и дальнейшего определения максимума интенсивности рассчитывается взаимно корреляционная функция
Яху (т) = ,т) • У8т()
(5)
где Узт1 — значения вектора измеренных мгновенных интенсивностей, сглаженные методом скользящей медианы.
Наличие максимума вблизи нулевого значения указывает на правильность поиска и наличие нужной аналитической линии в спектре (качественный показатель идентификации). График взаимной корреляционной функции (5) для линии (252,82 нм) с параметром смещения т = ±50 пикселей показан на рисунке 10.
1
3.6 10
3.5 Ю'
3.4 Ш
3.3 Ш
У
&---
-50
-40
-30
-20
-10
10
20
30
40
50
Рисунок 10 — График взаимной корреляционной функции для линии (252,82 нм)
Количественная оценка котроля правильности идентификации найденных аналитических линий оценивалась путем расчета коэффициента корреляции р^ и остаточного стандартного
отклонения а^ для измеренного и эталонного спектров.
Предлагаемый способ контроля обеспечивает повышение точности идентификации и измерения параметров спектральных линий. Применение двухступенчатого алгоритма позволяет существенно повысить достоверность автоматизированного поиска нужных аналитических линий, особенно для материалов с насыщенными спектрами (сталей, никелевых сплавов и др.) и уменьшить влияние мешающих факторов (температуры, нестабильности разряда плазмы и др.). Достоверная идентификация и последующее измерение параметров спектральных линий были получены во всех случаях при р^ > 0,9 и аотн < 10 %.
Исследование механических свойств материалов. Развитие методов атомно-эмиссионного спектрального анализа как средства контроля в литейном производстве определяется не только совершенствованием традиционных способов количественного анализа, но и исследованием новых направлений его практического применения. К числу перспективных направлений можно отнести возможность контроля структурных особенностей материалов и изделий, определяющих их физико-механические свойства. Ранее влияние структурных различий исследуемых материалов рассматривалось в качестве источника дополнительных погрешностей при проведении АЭСА материалов.
Для преодоления этих различий предлагается ввести в рассмотрение относительные аналитические системы обработки данных спектрометрирования, которые включают в свой состав параметры эталонов и исследуемых проб. Поскольку интенсивность спектральных линий является отображением внутреннего энергетического состояния исследуемого материала, такие системы характеризуются энергетическими параметрами.
Для построения этих систем необходимо определить совокупные энергетические параметры, критерии корректирования этих параметров, а следовательно, и критерии существования изолированных систем.
Если выразить анализируемую систему спектрального анализа через коэффициенты усиления излучения элемента пробы относительно СО UX3 и элемента СО пробы относительно U3X, то можно записать
UX3 = 1/U х (6)
или через относительный энергетический параметр Lip:
Lo = YL = LX3 + L3 x = 1, (7)
здесь
2 p(YP-AP)
LX3 = -arctg[-^-; (8)
я BlPxcp (ZP + АРЭ) W
2 P(VP-AP)
L3 , = -arctg[^%-x—], (9)
3 * я В1Рэср(£P + AP)
где P - измеряемые в процессе анализа параметры (почернение либо напряжение на интеграторе) линии исследуемого элемента пробы и эталона Рх э и его линии сравнения Р{Хэ) cp;
АРх э Рх э — Р(х э) ср - дифференциальный аналитический параметр;
ТРх э = Рх э + Р(х э) ср = TP = const - суммарный аналитический параметр.
Выражения (8), (9) являются основой для определения количественного состава отдельных компонентов исследуемых материалов.
Под изолированными системами спектрального анализа следует понимать такие системы, в которых для элемента пробы и СО доля теплообмена с внешней средой по отношению
к энергии спектрального излучения остается постоянной в течение промежутка времени их обыскривания. Такие пары образцов являются гомологичными, а их компоненты - энергетически совместимыми.
При наличии структурных отличий суммарное значение измеряемых параметров YP оказывается отличным от тех же параметров YP (при AP = const). Это указывает на изменение структуры исследуемого материала относительно СО, а также на наличие ударов второго рода. Наличие этого типа взаимодействия приводит к изменению состава атомов (ионов) в облаке низкотемпературной плазмы (НТП), что влечет за собой изменение интенсивности спектрального излучения. Это обусловлено тем, что кинетическая энергия изменяется за счет изменения внутренней энергии системы.
С физической точки зрения изменение суммарной интенсивности излучения какого-либо элемента A(XP) = YPX э - TPk m при AP = const объясняется изменением структурных особенностей материала, в результате которых изменяется работа выхода элементарных частиц с поверхности электрода в облако плазмы, и действием ударов второго рода.
Составляющая изменения интенсивности излучения вследствие ударов второго рода в данном случае является помехой, так как вносит дополнительную составляющую «фазового» сдвига, обозначим ее через А^ф. Составляющую фазовых сдвигов, обусловленную структурными особенностями материалов, обозначим через А^ст. Как будет показано ниже, А^ф на порядок меньше А^ст, но тем не менее с целью повышения точности она также должна учитываться.
Так как векторы Lx э и L3X относительно оси наблюдения составляют угол в 90°, то, переписывая уравнения (8), (9) в виде фазовой характеристики, получим выражение для расчета фазо-вого смещения, определяющего только структурные особенности пробы относительно СО:
А¥ст = 90° ALCT = 90° (1 -Lo'). (10)
В выражении (10) влияние структурных особенностей проявляется в значениях измеряемых параметров APk и APm (или АРХ, э). Параметр L0' вычисляется по выражению (7) для образцов с различной структурой [5].
Исследование параметров регистрации спектров с целью проверки чувствительности к изменению механических свойств (МС) и структурных параметров (СП) проводилось на образцах алюминиевого сплава типа АК5М2.
Для изменения структурного состояния материала, а следовательно, и его физико-механических свойств образцы подвергались введению модификаторов в виде ультрадисперсных порошков при кристаллизации из расплавленного состояния.
На основании исходных данных были рассчитаны количественное содержание, параметры механических свойств и структурного состояния исследуемого материала. Построены градуи-ровочные зависимости изменения указанных параметров по данным измерений с помощью традиционных методов. Исследованы графики зависимостей HB(AX¥), HB(qij), <зЕ (А¥),
<зЕ(ф„), <зт(Д¥), <зт(ф„), 5(А^), 8(фр). Графики зависимостей HB(AW), HB(§ij) представлены на рисунке 11.
В результате проведенных исследований получена физическая модель по определению традиционного количественного состава материала, а также предложено новое направление по определению механических свойств и структурных параметров. Представлены оборудование, режимы и алгоритм проведения спектрального анализа на примере алюминиевых сплавов [5].
В статье представлены результаты исследований, защищенные патентами РФ и регистрацией программного обеспечения [1] - [3]. В настоящее время сотрудниками ОмГУПСа выполняются совместные работы с изготовителями спектрального оборудования по использо-
ванию интеллектуальной собственности в приборах спектрального анализа и их внедрения на предприятиях транспорта и промышленности.
20 19 18 17 0 0 1,0 2,0 3,0 4,0
м- A4J щ -►
Рисунок 11 - Градуировочный график определения твердости Нв
Список литературы
1. Пат. 2005129189 Россия, МПК G01 N21/00. Способ определения содержания массовых долей элементов в материалах и сплавах [Текст] // А. А. Кузнецов, С. А. Морев, Д. С. Шишкин, А. И. Одинец 2007. Бюллетень № 1.
2. Пат. 2291406 Россия, МПК G01 N21/00, G01 J3/30. Способ измерения параметров спектральных линий при спектральном анализе [Текст] // А. А. Кузнецов, Д. А. Пимшин, А. И. Одинец; 2007. Бюллетень № 9.
3. Пимшин, Д. А. Анализатор спектра [Текст] / Д. А. Пимшин, А. А. Кузнецов // Компьютерные учебные программы и инновации / ВНТЦИ. М, 2006. № 12. Per. номер 50200501327.
4. Зажирко, В. Н. Способ идентификации и измерения параметров спектральных линий в автоматизированных системах контроля [Текст] / В. Н. Зажирко, А. А. Кузнецов, С. Н. Овча-ренко // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. - № 5. - С. 39 - 45.
5. Кузнецов, А. А. Реализация комплексного спектрального анализа металлов на промышленных предприятиях и транспорте [Текст] / А. А. Кузнецов, Д. А. Пимшин // Омский научный вестник. - 2008. - №1. - С. 162 - 165.
УДК 629.424.1
В. А. Михеев
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФ-МОДЕЛЬЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ
ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ
В статъерассмотрен подход к моделированию функциональных систем тепловозного дизеля, основанный на использовании аппарата теории графов. Представлены результаты поэтапного моделирования системы воздухоснабжения тепловозного дизеля.
К числу комплекса мер, повышающих эффективность эксплуатации дизельного подвижного состава, следует отнести масштабное внедрение встроенных, переносных и стационар-
№ 2( 2010
