Технологический контроль пористости текстильных материалов со сложной структурой Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 677.017

В.Г. ЗДОРЕНКО, СВ. БАРИЛКО, АС. ДЯЧЕНКО

Кшвський нацюнальний ушверситет технологiй та дизайну

ТЕХНОЛОГ1ЧНИЙ КОНТРОЛЬ ПОРИСТОСТ1 ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕР1АЛ1В

13 СКЛАДНОЮ СТРУКТУРОЮ

У данш роботi розглянуто методи безконтактного контролю змти пористостг матергалгв 1з складною структурою. Обтрунтована доцшьнкть використання ультразвукового безконтактного методу та використання значення амплтуди вiдбитоi ультразвуковое хвилi. Наведено результати теоретичних та експериментальних до^джень.

Ключовi слова: пористкть матерiалу, амплiтуда ультразвуковоi хвил1 безконтактний контроль.

В.Г. ЗДОРЕНКО, С.В. БАРЫЛКО, А.С. ДЯЧЕНКО

Киевский национальный университет технологий и дизайна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПОРИСТОСТИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СО

СЛОЖНОЙ СТРУКТУРОЙ

В данной работе рассмотрены методы бесконтактного контроля изменения пористости материалов со сложной структурой. Обоснована целесообразность использования ультразвукового бесконтактного метода и использование значения амплитуды отраженной ультразвуковой волны. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Ключевые слова: пористость материала, амплитуда ультразвуковой волны, бесконтактный контроль.

V.G. ZDORENKO, S.V. BARYLKO, A.S. DYACHENKO

Kyiv National University of Technologies and Design

TECHNOLOGICAL CONTROL POROSITY OF TEXTILE MATERIALS WITH

COMPLEX STRUCTURE

In this work considered methods of non-contact control of changes porosity of materials with complex structure. The expediency of using non-contact ultrasonic method and the use value of amplitude of the reflected ultrasound wave. Results theoretical and experimental researches are resulted.

Keywords: porosity of material, amplitude of the ultrasonic wave, non-contact control.

Постановка проблеми

Сьогодш юнуе необхвдшсть в автоматизованому контрол технолопчних параметр1в р1зних фшьтрувальних тканин та вироб1в i3 складною структурою, а також у сортуванш цих матер1ал1в безпосередньо на виробнищга. Для реалiзацil поставлено! задачi можна застосовувати роботизоваш комплексы iз безконтактними датчиками, що дозволить оптишзувати процес сортування та спростити задачу техшчно! реалiзацil таких систем. Рiзнi матерiали, що необхвдно контролювати можуть мати складну структуру. Складна структура для багатьох матерiалiв, як1 використовуються у фшьтрах рiзного призначення мае вигляд сггки, що може мати рiзну пориспсть. Пористiсть та поверхневу густину необхшно враховувати при контролi фiльтрувальних матерiалiв рiзного призначення як для очищення газiв, рiдин, сипучих речовин, так i для контролю виробiв iз складною структурою. Тому для сортування фшьтрувальних матерiалiв, а також для пвдвищення оперативностi контролю можна використовувати безконтактний метод визначення пористосл контрольованих виробiв.

Аналiз останшх досл1джень i публiкацiй

Пневматичнi методи та засоби [1] можуть застосовуватися для сортування матерiалiв iз рiзною пористiстю. Однак, до недолiкiв пневматичних методiв та засобiв необхвдно вiднести: низьку чутливють, малий дiапазон вимiрюваноl величини та складнють експлуатаци. Оптичнi методи та засоби [2] можна використовувати для визначення змши пористосп виробiв iз складною структурою за змiною штенсивносп оптичного випромiнювання, яке надходить вш джерела освiтлення. Проте 1х основними недолжами е: мала чутливiсть до вимiрюваноl величини та похибки, що виникають при значнiй запиленостi навколишнього середовища. Доцiльно використовувати ультразвуковi методи та засоби [3], яш просп в експлуатаци, мають високу точшсть вимiрювання, а також надiйнi в робоп протягом тривалого часу в умовах виробництва. Тому безконтактнi ультразвуковi методи та засоби можна

використовувати для подальшого проектування та створення автоматизованих роботизованих комплекав для контролю та сортування матерiалiв iз складною структурою безпосередньо на виробнищга.

Формулювання мети дослiдження Для безконтактного контролю та сортування матерiалiв iз структурою, яка представляе собою сггку, необх1дно використовувати один iз iнформативних параметрiв ультразвукового сигналу. За змшою амплiтуди ввдбито! ультразвуково! хвилi ввдносно амплiтуди хвилi, яка вщбилася вiд еталонного матерiалу, пористiсть якого визначалась рашше, можна визначати зм^ пористостi контрольованого матерiалу. Якщо проводити вимiрювання величини [4] та порiвнювати !! з еталоном, то, в такому випадку, можна визначати точно змшу контрольовано! пористостi. У статл наведенi результати теоретичних дослiджень визначення змiни пористостi фiльтрувальних матерiалiв за допомогою ультразвукового безконтактного методу, що в свою чергу дасть можливють розшзнавати та сортувати готовi вироби за !х призначенням, а також визначати браковану продукцiю.

Викладення основного матер1алу досл1дження Амплiтуду ультразвуково! хвил^ яка падае нормально на контрольований матерiал та вiдбиваеться, знаючи, що вщношення акустичних опорiв повiтря та матерiалу (р\с1)/(р2с2 )<< 1,

Х = \

(¿о + ¿у соя у для фiльтрувальних тканин та % = Н соя у для матерiалу без переплетення, можна

представити у виглядi модуля [5] комплексного коефiцiента вщбиття:

1 -

1 + -

^ р с ^

Р 2с2

ск а% +---як а%

2 Р1с1

■ 2 соя

2л / %

(( о с ^

Р 2 с 2

ск а%+---як а%

2 Р1с1

■соя-

2л / %

(( О с ^

Р 2 с 2

як а%+---ск а%

2 Р1с1

■ят-

2л / %

(1)

с

2

2

2

+

с

с

2

2

де | V | - модуль комплексного коефщента ввдбиття ультразвуково! хвилi вiд контрольованого матерiалу; а — коефщент згасання ультразвукових хвиль в матерiалi; / — частота ультразвукових коливань; — дiаметри нитки основи та нитки утоку для фiльтрувально! тканини; Н — товщина

матерiалу iз складною структурою у виглядi сiтки; ¿о, ¿у — дiаметри нитки основи та нитки утоку для фшьтрувально! тканини; р , с — щiльнiсть повпря та швидк1сть розповсюдження у ньому ультразвуково! хвилi; р, с2 — щ№нють матерiалу та швидк1сть розповсюдження у ньому ультразвуково! хвилц у — кут мiж вектором хвил^ що ввдбиваеться ввд матерiалу у бш приймача (перетворювача ультразвукових коливань в електричну напругу), та самою поверхнею виробу.

Якщо зважати на те, що для фшьтрувальних матерiалiв величина [(2л//с2) + а]%<< 1, тодi вираз (1) можна подати так:

1 --

Р 2с2

1 + а-%

Р1с1

Р2с2

1 + а-%

2Р1с1

2л/ Р2с2 с2 2Р1с1

2

(2)

%

Коли згасання в контрольованому матерiалi менше 2 % i ним можна знехтувати а и 0, тодi залежнють (2) можна показати як:

1

1

1 +

( \2 Р1с1

л / Р 2 %

I ч ^

де \ — довжина ультразвуково! хвилi в повiтрi.

1+

' РЙ1 ^

Кл Р 2 % J

2

+

Таким чином при зменшенш пористосп контрольованого матерiалу, амплiтуда вщбито! ультразвуково! хвилi збiльшуeться i навпаки. Цю залежнiсть можна показати так:

М = бо Ы Q

(4)

де | К0 | - модуль комплексного коефщента ввдбиття ультразвуково! хвилi вiд еталонного матерiалу

з вiдомою пористiстю; Q0,Q — вiдома пористiсть та пористють матерiалу, що контролюеться.

Вираз (4), з врахуванням коефiцiентiв, що характеризують пльки часткове надходження вiдбитих ультразвукових сигналiв до приймача, можна подати у наступному виглядi:

Р

V \Кро

Qо Q

(5)

де Кр0, Кр — коефщенти еталонного та контрольованого матерiалiв, що характеризують надходження

вщбитого ультразвукового сигналу до приймача звукових коливань вiд структурних показник1в матерiалiв та !хнього положення ввдносно самого приймача.

При вимiрюваннi визначаються амплиуди ввдбитих ультразвукових коливань вiд еталонного та контрольованого матерiалiв, як1 пропорцшт величинам | V | Кр0 та | V | Кр .

I „ I / , ,

Пiдставивши залежнють (3) у (4) враховуючи ;

умову |(ёа + <Лу1 = Но, |(ёа + )■

4

= Н 2,

'2

якщо величини Н^ ~ Н2 та р майже однаковi (розбiжнiсть складае менше 5 %) як для

еталонного, так i для контрольованого матерiалiв, тодi можна представити вiдношення модулiв коефщенпв ввдбиття ультразвукових коливань в наступному виглядг

| V |

ы

( л /о Р о Н0 соь^о ) 2 + (р 1с1) 2 ] • (с0^' ух/о ) 2

(л /о Ро Но С0^'ух ) 2 + (Р1С1) 2 У(со*у о /о ) 2

(6)

де cosvо, cosvx — величини, що характеризують розмф пор еталонного та контрольованого матерiалiв; /о — частота о заультразвукових хвиль, якими опромiнюються еталонний та контрольований матерiали (при виконанш перших вимiрювань).

Для того щоб точно можна було визначити, наскшьки змшився розмiр пор в контрольованому матерiал,i необх1дно забезпечити виконання рiвностi, яку можна подати так:

V

V)

(л/о/х Ро Но)2 +

/хР1с1

2

у С0^^о у

= 1,

(л/о/х Ро Но)2 +

/оР1С1

С0^' Ух

(7)

де | V | — модуль, що вiдповiдае амплiтудi ввдбито! вiд контрольованого матерiалу ультразвуково! хвил^ яка змiнюеться у процес регулювання частоти /х.

При певному положеннi датчиков та контрольованого матерiалу, може виконуватися умова

К

Р

К

Ро

: 1, тодг

*

2

cosvY =

(fo P1c1, 2

( , > 2 ( s 2

Vo ж fofx po Ho * + fxP1c1 Vol i* -(Kfo fx Po Ho ) 2

\v\ cosvo \v\

(8)

V

Якщо -.—^ = 1, то вираз (8) можна записати як:

V0

fo

cos vx =--cos vo.

fx

(9)

Визначати, на сшльки зм1нюеться розм1р пор в контрольованому матер!ал пор!вняно з еталоном, можна визначивши величину cos vx, а загальну пористють можна знайти з наступного виразу:

V0

Q = ■ Qo-

(10)

Виходячи з наведеного, ввдносну зм1ну 8q пористосп контрольованого матер1алу у вщсотках можна подати в наступному вигляда:

f

SQ =

Qo -

Qo Vo

V

Qo

л

• ioo% =

1 -

Vol

Ivl

• ioo%,

(11)

а абсолютну зм1ну Д q можна показати так:

AQ = Qo ■

1 -

М

I Vl

(12)

Отже, за змшою амплпуди ввдбито! ультразвуково! хвил можна безконтактно визначати змшу пористосп контрольованого матер1алу. Поверхш, яш показують вплив змши частоти f та розм1р1в пор через величину cos v на амплиуду ультразвуково! хвил1, яка вщбиваеться ввд контрольованого матер1алу та представлена модулем |v|, наведен! на рис.1. Моделювання впливу змши частоти хвиль, що

в1дбиваються ввд поверхн1 матер1алу, та зм1ни розм1р1в його пор на ампл1туду коливань показало, що безконтактний контроль структури р1зних матер1ал1в можна зд1йснювати керуючи частотою хвиль, якими зондуються вироби.

Наведений метод контролю можна використати для реал1зацп роботизованих комплекс1в, завдання яких може полягати у розшзнаванш браковано! продукц1! 1з недопустимим розм1ром пор. Як складова частина таких комплекс1в може бути показана структурна схема пристрою з використанням мжроконтролеру (МК) для розтзнавання браку, що зображена на рис.2. На рис. 3 наведена поверхня, що демонструе однаковий вплив двох параметр1в (частоти хвиль та розм1р1в пор) на ампл1туду коливань у вигляд1 цифрових код1в, якими оперуе МК при зондуванш контрольованого виробу.

Пристр1й, який наведений на рис. 2 працюе наступним чином. Спочатку визначаеться пористють еталонного матер1алу, шляхом знаходження об'ему, який займае повиря в порах зразка цього матер1алу, скануванням його з обох сторш та виконанням м1крозр1з1в, з наступним багаторазовим зб1льшенням в масштаб! та обробкою даних на ПК. Значення загально! пористост! Qo , модуля, який !й в1дпов1дае | Vo | та параметра cos vo вводяться в м!кроконтролер у вигляд! код!в No, Nvo, N cos vo . Дал! задаеться алгоритм роботи усього пристрою, що передбачае спочатку зондування контрольованого матер!алу ультразвуковими хвилями з частотою fo, яка задаеться кодом Nfo з МК 1 при налаштуванш блоку

формувача !мпульсного сигналу 2 , дал! !мпульси подаються на п!дсилювач потужносп 3, п!сля чого

поступають на випромiнювач ультразвукових коливань 4. Ультразвуковi коливання, що випромiнюються п'езоперетворювачем 4, потрапляють до приймаючого п'езоперетворювача 6, пiсля ввдбиття 1х вiд поверхнi контрольованого матерiалу 5. Амплiтуда електричних коливань, яш утворилася пiсля вiдбиття ультразвукового сигналу вщ контрольованого виробу 5, пропорцшна амплiтудi зазначених ультразвукових хвиль, а тсля пiдсилення тдсилювачем 7, напруга електричних коливань U\, що детектуеться пiковим детектором 8, потрапляе до АЦП 9 за допомогою якого перетворюеться у цифровий код Nvx .

гиг у -10J

. in

Ш

WW \ V \ \ \ \

YV

I

А- * -

Г.хГ»

б

Рис.1. Поверхш, якi показують вплив змiни частоти f та po3MipiB пор через величину cosv на

амплiтуду ультразвуковоТ хвилi, яка представлена модулем | V |:

а - поверхня з рiвнями розмпрш пор та амплггуди; б - поверхня з рiвнями амплiтуди; в - проекщ! |)imiiii амплiтуди на координатах впливових параметрiв f та cosv

а

в

Рис.2. Структурна схема пристрою для визначення змши |>озм1|)1в пор матерiалiв

iз складною структурою

Враховуючи коефщенти передачi рiзних ланок пристрою, напругу и\ та цифровий код Ыт можна представити у наступному виглядi:

Nvx = U1 = K K 2 K з K 4 1

1

U

m

1 +

/ ч2 1

P 1c1

я f P 2 Ж

(13)

де Um - амплпуда напруги електричних коливань генератора формувача 1мпульс1в 2; K1 - коефщент шдсилення пвдсилювача 3; K2 - коефщент перетворення блоков 4, 6; K3 - коеф1ц1ент п1дсилення п1дсилювача 7; K4 - коефщент детектування п1кового детектора 8; r\ - одиниця молодшого розряду АЦП 9.

Дал1 зондування повторюеться, але 1з зменшенням частоти fx ультразвукових хвиль, яке регулюеться кодом N fx з МК 1, до того часу поки коди, як1 пропорц1йн1 амплиудам в1дбитих

ультразвукових хвиль не зр1вняються м1ж собою (Nvo = Nvx ). Коли зондування припиняеться МК 1 визначае параметр cos vx у вигляд1 коду наступним чином:

N

Nf o

cos vx

N

N

fx

cos vo •

(14)

За параметром cosvx можна визначати розм1р пор контрольованого матер1алу та !х зм1ну, а загальна порист1сть виробу Q визначаеться у вигляд1 коду так:

Nx = ■ N o •

N-

(15)

vx

Цифров1 коди N cos vx, Nx виводяться на LCD екран 10 , передаються через посл1довний порт та мжросхему MAX232 11 i записуються на ПК 12, де вщбуваеться обробка та збер1гання шформаци.

На рис. 3 показано поверхню, яка демонструе взаемозв'язок кодiв, що використовуються в мiкроконтролерi для визначення бракованих матерiалiв за !хньою пориспстю.

Величини кодiв помноженi на коефщенти пропорцiйностi, як1 показують рiвнозначний вплив змши розмiрiв пор матерiалу та змши частоти ультразвукових коливань на амплиуду ввдбитих хвиль, в межах, що ввдповщають безконтактному дiапазону зондування виробiв iз пористою структурою.

Для спрощення задачi реалiзацi! макетного дослщного зразку у виглядi мобiльного робота, який може вирiшувати задачi орieнтування у просторi та розшзнавання бракованих виробiв, можна застосовувати вщладочш модулi. Цi модулi мають можливiсть програмувати мiкроконтролери, як1 штегроваш в !хнш структурi, в залежносп вiд поставлено! задачi.

У процеа роботи був реалiзований амплiтудний детектор для безконтактного ультразвукового датчика. Ультразвоковий датчик змiни пористостi матерiалу тдключався до амплiтудного детектора, а сам загальний блок (датчик та детектор) був реалiзований на макетнiй плап, яка передавала вимiрювальну iнформацiю до внутршнього АЦП мiкроконтролера. На рис. 4 представлено реалiзований амплiтудний детектор з безконтактним ультразвуковим датчиком на макетнш платi.

Рис.3. Поверхня, яка показуе вплив частоти хвиль та розмiрiв пор матерiалу на рiвень амплiтуди вiдбитих ультразвукових коливань у виглядi цифрових кодт, якими оперуе МК при

зондуваннi контрольованого виробу

ьиъоее&оооо I оео'ь^оьъвовг,

Яспо-.ООС-'.О-.ОвО

" о ' ^>0^0«. '

.-г . \ , ?.

► * о о ос оо

► г о* ;о- оь. .-с •• -г (С ОС с*/г. С -

► ос а ос - ос-о- »'••- " ооо -> | »ооосв^г®^®оооосооо

I оооооооооооооосооооо I 100000000000 О О 00 -ООО |)

ооооооооооооо оооооо

Рис. 4. Ультразвуковий датчик з амплiтудним детектором

Частота максимального випромiнювання становить 33-43 кГц. Вхвдний електричний iмпеданс на частой максимального випромiнювання до 1,8 кОм. Частота максимального прийому - 35-45 кГц.

Розроблений метод безконтактного контролю змши пористосп матерiалiв перевiрявся експериментально на прикладi зразк1в тканин та листа картону. Для експерименту тдбиралися зразки тканин з майже однаковими товщинами та з рiзними порами, з яких одна тканина мае саржеве переплетшня, а два шших - полотняне. Результати експериментальних даних представленi у графiчному виглядi на рис. 5.

Тканина саржевого переплетшня мае майже в 2 рази б№шу поверхневу густину, шж зразки полотняного переплетiння та ввдповвдно меншу пористiсть. Матерiал картону в експерименп використовувався для того, щоб показати повне вiдбиття сигналу у порiвяннi з матерiалами з наявшстю пор.

Результат)! втпрювань

Картон Саржа

Полотняна тканина 1 -Полотняна тканина 2

Рис. 5. Результати вшпрювамь

З графшв на рис. 5 видно, що вiдносна змша вимiрюваних значень варiюeться у певному дiапазонi. Це зумовлено дестабiлiзуючими факторами при зондуванш об'екту контролю.

Створення систем розпiзнавання рiзних матерiалiв iз складною структурою та ïx перевiрка на брак може допомогти у виршенш задачi постiйного теxнологiчного контролю готово! продукцiï на виробництвi.

Б№ший та досконалiший промисловий зразок мобшьного робота можна застосовувати для складських примiщень iз готовою продукцieю у виробничих цiляx.

Висновки

Проведений аналiз показав, що для автоматизованого контролю технолопчних параметрiв рiзниx фiльтрувальниx матерiалiв, а також для виявлення браковано! продукцiï у процесi сортування виробiв можна використовувати безконтактний ультразвуковий метод. Для реалiзацiï поставлено! задачi цей метод можна застосовувати iз роботизованими комплексами на базi мiкропроцесорноï техшки. Основа методу полягае у порiвняннi змiни амплiтуди ультразвуково1' xвилi, яка вщбилася вiд поверxнi контрольованого матерiалу з амплiтудою xвилi, що ввдбилася вiд еталонного зразку. Додатково також використовуеться регулювання частоти коливань для зрiвноваження рiвнiв амплiтуд хвиль, що порiвнюються. Змiна частоти, у свою чергу, спрощуе визначення параметру розмiру пор матерiалу. Знаходження змiни пористосп ультразвуковим безконтактним методом дозволить покращити якiснi та експлуатацiйнi характеристики ф№трувальних тканин та iншиx матерiалiв iз складною структурою, а також тдвищить оперативнiсть контролю готово1' продукцiï, що мае значения безпосередньо на виробнищга.

Список використано!' лiтератури

1. Прусенко В.С. Пневматические датчики и вторичные приборы. - М. - Л.: Энергия, 1965. - 193 с.

2. Белоусов Д.А. Контроль пространственного распределения оптического излучения, рассеянного дифракционной структурой/ Д.А. Белоусов, А.Г. Полещук, В. Н. Хомутов // Компьютерная оптика. - 2015. - Т.39, №5. - С.678-687.

3. Костюков А.Ф. Экспериментальное определение свойств волокон с помощью акустических колебаний / А.Ф. Костюков // Вестник АГАУ. - 2010. - № 9. - С. 84 - 87.

4. Здоренко В.Г. Ультразвуковий контроль поверхнево1' щшьносп тканин / В.Г. Здоренко, С.В. Барилко // Вюник ХНУ. - 2012. - №1. - С. 82-88.

5. Здоренко В.Г. Визначення змши пористосп тканини за змшою амплпуди ввдбитш ультразвуково1' xвилi / В.Г. Здоренко, С.В. Барилко, Н.М. Защепшна, В.Ю. Саншков, В.К. Чорноморченко // Вюник Кшвського нацюнального ушверситету технологш та дизайну. - 2012. - №3. - С. 122-127.