Возможность определения изменений физических и механических свойств поверхности металла оптическими методами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 006.82

ВОЗМОЖНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Татьяна Вячеславовна Ларина

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]

Елена Юрьевна Кутенкова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]

Олег Владиленович Минин

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]

Игорь Владиленович Минин

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]

Анна Дмитриевна Зонова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]

В статье рассмотрена возможность определения изменений физических и механических свойств поверхности металла оптическими методами на примере анализатора содержания свинца СИМ-14. Определены его метрологические характеристики по содержанию свинца в аттестованной смеси.

Ключевые слова: физические и механические свойств, оптические методы, абсолютная и относительная погрешности.

THE POSSIBILITY OF DETERMINING CHANGES IN THE PHYSICAL

AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE METAL SURFACE OPTICAL METHODS

Tatiana V. Larina

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior teacher Department of Metrology and Optical instrumentation technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]

Elena Yu. Kutenkova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior teacher Department of Metrology and Optical instrumentation technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]

Oleg V. Minin

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Ph. D., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]

Igor V. Minin

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Ph. D., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]

Anna D. Zonova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D. tech., assistant professor Department of Metrology and Optical instrumentation technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]

The article considers the possibility of determining the changes in the physical and mechanical properties of the metal surface by optical methods on the example of the analyzer lead SIM-14. Determine its metrological characteristics of the content of lead in the certified mixture.

Key words: physical and mechanical properties, optical methods, absolute and relative errors.

Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях. Для оценки скорости коррозии используются как качественные, так и количественные характеристики. Изменение внешнего вида поверхности металла, изменение его микроструктуры являются примерами качественной оценки скорости коррозии. Для количественной оценки можно использовать изменение какого-либо свойства за определённое время коррозии (например, электросопротивления, отражательной способности материала, механических свойств).

К настоящему времени разработан ряд оптоэлектронных приборов для не-разрушающего контроля изменения свойств в различных веществах и материалах [1-7]. В данных приборах применяется принцип сравнения качественных параметров исследуемого объекта с эталоном, в роли которого могут применяться образцовые стандартизованные меры зернистости, шероховатости и дефектности.

Основной измеряемой оптической характеристикой выступает интенсивность отраженного светового потока от поверхности контролируемого объекта, которая сравнивается с величиной аналогичной характеристики эталона.

При исследовании цветности определяющим выступает спектр коэффициента отражения излучения светоизлучающего диода и монохроматическая чувствительность приемника оптического излучения.

В данной работе предлагается перспективный в отношении простоты и удобства анализатор СИМ-14, который предназначен для измерения содержания свинца в автомобильных бензинах при оперативном контроле его качества.

Принцип действия анализатора основан на разложении тетраэтилсвинца РЪ(С2Н5)4^РЪ + 4С2Н5 при облучении его ультрафиолетовым излучением с длиной волны 320-350 нм с последующим фотометрическим определением

свинца после его реакции с 4-(2-пиридил-азо)-резорцином (Пар), при этом образуется соединение (рис. 1).

Рис. 1. Соединение свинца после реакции с 4-(2-пиридил-азо)-резорцином

Плотность цветонасыщения полученного соединения зависит от содержания в нем свинца.

Фотометрирование производится измерительным прибором, построенным по однолучевой двухканальной схеме.

Индикаторная бумага (далее - индикатор), предварительно смоченная в контролируемом бензине и обработанная согласно РЭ, попеременно освещается красным и зеленым светом. Отраженный от бумаги свет попадает на фотоприемник, при этом отношение интенсивностей отраженных красного и зеленого света зависит от содержания свинца в бензине.

Измерительный прибор рассчитывает содержание свинца в бензине и индицирует его в цифровом виде. Конструктивно анализатор состоит из измерительного прибора и ультрафиолетового излучателя (УФ-излучателя).

Основные технические характеристики:

1 Диапазон измерения содержания свинца в бензинах от 2,5 до 50 мг/дм3.

2 Пределы допускаемой относительной погрешности измерения содержания свинца в бензинах ±10 %.

3 Время непрерывной работы не более 8 ч.

4 Мощность, потребляемая анализатором, не более 25 В-А.

5 Габаритные размеры, мм, не более:

- измерительного прибора 210x200x65;

- УФ-излучателя 330x150x80.

6 Масса анализатора не более 4 кг.

7 Средняя наработка на отказ не менее 5000 ч.

8 Средний срок службы не более 5 лет.

Работа анализатора заключается в следующем. Индикатор 12 после предварительной обработки помещают в первичный преобразователь (ПП) и закрепляют прижимным устройством 1. Индикатор попеременно освещается источниками 2, 3 с разным спектральным составом (красным и зеленым).

Отраженный от индикатора свет попадает на фотоприемник 4. Электрический сигнал от фотоприемника поступает на усилитель 5 и далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6. Разной концентрации свинца соответствует разная окраска индикатора, что приводит к изменению показаний АЦП и позволяет контроллеру вычислить измеряемую концентрацию.

Вычисленное значение через буфер 8 выводится на табло 9. Кнопками 11 задаются режимы работы прибора. Блок питания 10 обеспечивает работу прибора от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц.

Анализатор состоит из ультрафиолетового излучателя (УФ-излучателя) и измерительного прибора, схема которого приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема анализатора СИМ-14: 1 - прижимное устройство; 2, 3 - источник света; 4 - фотоприемник; 5 -усилитель; 6 -АЦП; 7 - контроллер; 8 - буферный каскад; 9 - табло; 10 - блок питания; 11 - кнопки; 12 -индикатор; 13 - первичный преобразователь

УФ-излучатель выполнен в металлическом корпусе 1. В корпусе находится ультрафиолетовая лампа и сушилка. Лампа закреплена в держателях. Под лампой находится подставка 2, на которую помещают индикаторы для облучения ультрафиолетовым излучением. На верхней крышке корпуса имеется отверстие, через которое встроенный в корпус вентилятор всасывает воздух. Отверстие закрыто сеткой 3, на которой размещают индикаторы при сушке. Кроме того, на крышке располагаются тумблер включения питания и кнопки включения ультрафиолетовой лампы, сушилки.

Измерительный прибор выполнен в унифицированном корпусе 1, изготовленном из ударопрочного полистирола. Для удобства работы с прибором корпус снабжен откидывающей подставкой 2, которая может служить ручкой для переноски прибора.

Внутренняя часть корпуса состоит из платы индикации, платы измерительного канала прибора и преобразователя напряжения. На передней панели расположены цифровое табло, тумблер включения питания, кнопки СБРОС и ВВОД, а также закреплен первичный преобразователь, предназначенный для фотометрирования индикатора.

На задней панели располагаются держатель предохранителя, сетевой кабель, клемма заземления и разъем для подключения анализатора к ПЭВМ (компьютеру).

Для определения свинца в различных бензинах использовался разработанный анализатор СИМ-14. Для испытаний применялись различные марки бензинов, приведённые в табл.

Таблица

Результаты опытов по определению ТЭС в автомобильных бензинах

Содержание

Марка бензина свинца по ГОСТ 2882890 (стандартный метод), мг/дм3 Определение содержания свинца по СИМ-14, мг/дм3 Среднее значение, мг/дм3 Абсолютная погрешность, мг/дм3 Относительная погрешность, %

«Бензин ста- 0,011; 0,012; 0,012;

бильный газо- 0,013 0,011; 0,012; 0,012; 0,0119 0,0011 0,092437

вый» - ГОСТ 0,012; 0,011; 0,015;

2084-77 0,012; 0,009; 0,014

«Бензин ста- 0,012; 0,011; 0,011;

бильный газо- 0,010 0,010; 0,011; 0,011; 0,011 0,001 0,090909

вый» - ТУ 39- 0,011; 0,012; 0,011;

1340-89 0,010; 0,011; 0,011

«Бензин автомобильный АИ-95» - ГОСТ 2084-77 0,10; 0,09; 0,10; 0,09;

0,12 0,11; 0,11; 0,08; 0,09; 0,098 0,022 0,22449

0,11; 0,10; 0,09; 0,11

«Бензин авто-

мобильный 0,16; 0,15; 0,16; 0,14;

экспортный А- 0,15 0,15; 0,13; 0,15; 0,16; 0,147 0,003 0,020408

92» - ТУ 0,15; 0,15; 0,15; 0,12

38.001165-87

«Бензин авто-

мобильный с

улучшенными экологически- 0,09 0,09; 0,08; 0,09; 0,07; 0,08; 0,10; 0,09; 0,08; 0,086 0,004 0,046512

ми свойства- 0,09; 0,08; 0,09; 0,10

ми»-ТУ 38.401-

58-171-96

«Бензин АИ- 0,012; 0,013; 0,012; 0,015; 0,012; 0,014; 0,012; 0,010; 0,013;

80»- ТУ 38.00116597 0,013 0,0127 0,0003 0,023622

0,013; 0,015; 0,012

Содержание свинца определялось сначала по стандартному методу (ГОСТ 28828-90. Стандартный метод определения свинца в бензинах), а затем с помощью прибора. В результате этого были исследованы его метрологические характеристики.

Расчет метрологических характеристик анализатора СИМ-14 проводился по следующей методике:

а) характеристика абсолютной погрешности содержания свинца в аттесто-

-5

ванной смеси, равной 0,2 г/дм , определяется по формуле

д1 = с 3 + ЪУ2/У2 3 _ 0,003 г/дм3, (1)

где С = 0,2 г/дм - содержание свинца в аттестованной смеси; V = 150 мл - объём основного раствора; А V = 0,2 мл - предел допускаемой погрешности цилиндра; У2 = 300 мл - объем чистого бензина; А У2 = 0,2 мл - предел допускаемой погрешности цилиндра; б) характеристика абсолютной погрешности содержания свинца в аттестованной смеси, равной 0,04 г/дм , определяется следующим образом:

А2 = С |Щ/У\ 3 + ^У2/У2 3 _ 0,0003 г/дм3

(2)

"2

где С = 0,04 г/дм - содержание свинца в аттестованной смеси; Ух = 25 мл - объём основного раствора; А V = 0,2 мл - предел допускаемой погрешности цилиндра; У2 = 365 мл - объем чистого бензина; А У2 = 0,2 мл - предел допускаемой погрешности цилиндра; в) характеристика абсолютной погрешности содержания свинца в аттестованной смеси, равной 0,004 г/дм , определяется по следующей формуле

Ао = С

+ ^У2/У2~ =0,00004 г/дм3

(3)

где С = 0,004 г/дм3 - содержание свинца в аттестованной смеси; V = 5 мл - объём основного раствора;

А V = 0,05 мл - предел допускаемой погрешности цилиндра; У2 = 755 мл - объем чистого бензина; А У2 = 0,2 мл - предел допускаемой погрешности цилиндра; Результаты испытаний приведены в табл. и представлены на рис. 3-4.

Содержание свинца, мг/дм3 Рис. 3. ГОСТ 2084-77. Бензин стабильный газовый

Рис. 4. ТУ 39-1340-89. Бензин стабильный газовый

Таким образом, по результатам испытаний можно сделать вывод, что определение погрешности содержания свинца от концентрации не превышает 10 %, что, в свою очередь, подтверждает действительные значения метрологических характеристик анализатора СИМ-14, изложенные в ТУ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Анализатор цвета поверхности твердых материалов / Б. Н. Рахимов, О. К. Ушаков, Т. В. Ларина, Е. Ю. Кутенкова, Носков М. Ф. // Приборы и техника эксперимента. - 2012. -№ 3. - С. 131-132.

2. Пат. №2428728 Российская Федерация, МПК 5Ш0И 3/46. Анализатор цвета поверхности твердых материалов / Рахимов Б. Н., Ушаков О. К., Кутенкова Е. Ю., Ларина Т. В., заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». -№ 2009147534/28; заявл. 21.12.2009; опубл. 20.09.2011 Бюл. № 26. - 7 с.: 3 ил.

3. Пат. №2485457 Российская Федерация, МПК 51 G01 J 3/46, G01B 11/30. Оптоэлек-тронное устройство для определения усталости твердых материалов // Т. В. Ларина, О. К. Ушаков, Н. Р. Рахимов, М. П. Исаев, заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». - № 2012101558/28 (068170); заявл. 17.01.2012; опубл. 20.06.2013. Бюл. № 17. - 9 с.: 2 ил.

4. Пат. № 2462698 Российская Федерация, МПК 5Ш0Ш 11/16. Устройство и способ для определения мест предразрушения конструкций / Рахимов Б. Н., Ларина Т. В., Кутен-кова Е. Ю., заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». - № 2010147202/28, заявл. 18.11 2010 г. опубл. 27.05.2012 Бюл. № 27. - 11 с.: 4 ил.

5. Математическая модель анализа состояния поверхности конструкционных материалов / Т. В. Ларина, Е. Ю. Кутенкова, В. М. Тымкул, О. В. Минин, И. В. Минин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГТА, 2014. Т. 2. -С. 98-103.

6. РОптоэлектронная система для контроля усталости машиностроительных конструкций / Н. Р. Рахимов, Т. В. Ларина, О. К. Ушаков, В. А. Жмудь, П. В. Петров // Интерэкспо

ГЕС)-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГТА, 2013. Т. 1. -С.229-238.

7. Ларина, Т. В. Оптоэлектронный неразрушающий метод контроля усталости металлических конструкций // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 111-115.

© Т. В. Ларина, Е. Ю. Кутенкова, О. В. Минин, И. В. Минин, А. Д. Зонова, 2015