автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Основы интегральных методов оптической диагностики дисперснофазных сред в процессах высокотемпературного синтеза материалов

доктор технических наук
Гуляев,
Павел Юрьевич
город
Барнаул
год
2000
специальность ВАК РФ
05.11.13
Автореферат по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Основы интегральных методов оптической диагностики дисперснофазных сред в процессах высокотемпературного синтеза материалов»

Автореферат диссертации по теме "Основы интегральных методов оптической диагностики дисперснофазных сред в процессах высокотемпературного синтеза материалов"

IIа правах рукописи

Гуляев Павел Юрьевич ?\Ь ОД

ОСНОВЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДИСПЕРСНОФАЗНЫХ СРЕД В ПРОЦЕССАХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.11ЛЗ - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 2000

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Алтайского государственного технического университета имени И. И. Ползунова.

Научный консультант:

заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Евстигнеев В.В..

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лисицын В.М.

доктор физико-математических наук, профессор Максимок Ю.М.

доктор технических наук, профессор Пусгынский И.Н.

Ведущая организация:

Институт теоретической и прикладной механики СО РАН

Защита состоится " 20 " декабря 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 063.80.05 при Томском политехническом университете по адресу: Россия, 634028, г. Томск, ул. Савиных, 3. Корпус 18, ауд. 306 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан "_ 17 " ноября 2000 г.

Ученый секретарь

дисссртационногоСовста__Б.Б.Винокуров

ХМГ) У, в 4 п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Широкое внедрение компьютерной тем гики в интероскопию и неразрушаклций контроль веществ, материалов и изделий привело к возникновению новой области знаний - вычислительной диагностики. Высокая эффективность такого подхода была продемонстрирована при создании приборов компьютерной томографии (А.Кормак и Г.Н.Хаунсфилд), а их использование произвело революционный переворот в медицине и электронной микроскопии макромолекул (А. Клуг) и отмечено Нобелевскими премиями (1979, 1982 гг.). Впервые методы оптической томографии для исследования газодинамики и контроля теплофизических характеристик высокотемпературных запыленных плазменных струй применили отечественные ученые В.В.Пикалов, Н.Г.Преображенскии, М.М.Лавреитьев, А.С.Алексеев и др. (1985, 1987 гг. ). Математическую основу вычислительной диагностики составляют методы редуцирования закона распределения контролируемых параметров среды по набору экспериментальных данных, получаемых путем интегрирования входного сигнала в пределах некоторого измерительного объема, заданного аппаратной функцией прибора, разработанные А.Н.Тихоновым и О.М.Филлипсом (1962, 1964 гг.). Хорошо известны интегральные методы контроля дисперсности мутных сред, предложенные К.С.Шифрииым и Г. Ван де Хюлстом (1951, 1961 гг.), основанные на редукции индикатрисы малоуглового рассешшя и спектральной прозрачности. Вместе с тем, контроль расхгределения скорости и температуры в дисперснофазных средах осуществляется локальными методанш пиро- и анемометрии отдельных частиц, требующих длительного накопления данных и последующей статистической обработки. В этой ситуации очевидно, что одним из важнейших направлений исследовашй является разработка основ интегральных оптических методов контроля наиболее полного набора параметров состояния дисперснофазных сред.

Актуальность проблемы. Современные высокие технологии в различных отраслях производства широко используют быстропротекающис высокотемпературные процессы обработки дисперсных материалов и распыленных частиц вещества в конденсиропашюй фазе. В большинстве случаев для оптимизации технологического режима требуются оперативные данные о температуре, скорости, концентрации или дисперсионном составе частиц продукта переработки, получаемые без внесения дополнительных внешних воздействий и возмущений. Эта общность определяет необходимость разработки базовых компьютеризированных технологий применения оптоэлектрошгых систем бесконтактной экспресс-диагностики в задачах автоматизации, контроля и управления такими промышленными технологическими процессами в реальном масштабе времени на основе микропроцессорных систем и высокочувствительных интегральных полупроводниковых датчиков. Следовательно, актуальность темы, с одной стороны, обусловлена потребностью производства в автоматизации

оперативного контроля и наблюдения за основными параметрами газодисперсных и порошковых технологий, а с другой стороны, неудовлетворительным состоянием в области решения прикладных задач экспрессной диагностики высокотемпературных струйных и дисперсных систем, так как экспериментальное изучение таких технологических процессов до недавнего времени было исключительно затруднено, ввиду их существенной нестационарности и быстротечности.

Связь работы с государственными научными программами и темами.

Научно-исследовательские работы по теме диссертащш связаны с выполнением комплексной программы РАН "Сибирь" (в рамках подпрограммы "Новые материалы и технологии"), государственных программ Минприбора ("Сенсор", задание 04, этапы Н1Д2); КБ "Салют" ("Датчик-ИК"); ГОИ им. С.И.Вавилова; АН СССР (по проблеме "Физическая оптика", шифр 1.6.1).; Ползуновского гранта 1996-97 гг. Государственного фонда содейепшя развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; программы "Конверсия и высокие технологии 1997-2000 гг." ( грант 1-1-5 "Скоростная гшро- и анемометрия"). Разработанная методика нашла также применение при учете температурного влияния внешней среды на результаты геодезических измерений (Грант 1414 Госкомвуза России 1993-94 г.г. но фундаментальным исследованиям).

Научной проблемой, решаемой в диссертации, является разработка оптических методов контроля интегральных законов распределения температуры и скорости частиц в нестационарных высокотемпературных струях и быстропротекающих процессах горения по всему измерительному объему диснерспофазной среды. Это открывает практические возможности для изучения закономерностей распределений основных теплофизических параметров, управления, оптимизации и стабилизации технологических режимов, за счет точного воспроизведения температурно-скоростных характеристик дисперсной фазы в гетерогенных потоках и термохимических реакциях синтеза порошковых материалов.

Целыо работы является разработка перспективной гаммы новых технических методов и средств бесконтактного контроля и оптической экспрессной диагностики основных теплофизических параметров, определяющих режимы работы быстропротекающих высокотемпературных технологических процессов в диспсрснофазных средах. Создание основы теории функционирования приборов компьютерной диагностики с заранее заданными характеристиками качества контроля в условиях неполных данных об объекте измерения; обобщенной физической постановки задач контроля распределенных параметров температуры, скорости, концентрации и дисперсности конденсированной фазы гетерогенных потоков по суммарному оптическому' сигналу образованным множеством частиц, а также соответствующих оптоэлекгронных методов обработки сигнала и быстродействующих устройств регистрации, позволяющих по тепловому излучению, спектральному составу, дифракционному рассеянию в масштабе

реального времени определять широкий набор термодинамических характеристик технологического процесса и кинетики реакций термохимического синтеза порошковых материалов.

В работе поставлены следующие задачи:

- создание методологического обоснования и обобщенных подходов к разработке методов получешга эффективных оценок усреднешгых параметров распределения частиц по температурам, скоростям и размерам в высокотемпературных дисперсно-струйш.к системах на основе дагаплх об их интегральных распределениях теплового спектра, картины дифракционного рассеяния и времянролетной диаграммы оптической плотности в сечениях гетерофазного потока;

- обоснование структуры обобщенной функциональной схемы устройств интегрального контроля, алгоритмов обработки измерительной информации;

- определение влияния шумов и критических условий применимости разрабатываемых методов оптической диагностики в зависимости от требуемого быстродействия, чувствительности, степени регуляризации некорректно поставлештых обратных задач оценки параметров технологического процесса;

- разработка экспериментальных методов и технических средств оперативной оптической диагностики основных характеристик состояния компонеш' конденсированной фазы в быстропротекагощих технологических процессах обработки дисперсных материалов и веществ;

- проведение числешюго моделирования и экспериментальных исследований для проверки эффективности применения разработанных методов контроля;

определение шггаралыплх температурю - скоростных параметров в процессах детонационного напыления, СВ-сингеза и распыления топлива .

Методы и обьскт исследования: Исходным фактическим материалом послужили экспер1шентальные дашше, получение при апробации разработанных действуюпдах образцов оригинальной диагностической аппаратуры на технологических установках детонационно-газового и плазменного напыления, в процессах горения гетерогенных конденсированных систем при самораспространяющемся

высокотемпературном синтезе порошковых материалов, на дизельных испытательных стендах топливной аппаратуры и др. , а также результаты предварителып.тх метрологических и сравнительных испытаний с помощью сертифицированных и поверенных температурных, частотных, спектральных эталонов и контрольно-измерительных приборов.

Теоретические исследования базируются на следующих современных научных положениях и методах:

- статистических принципах оптимизации измерений при наличии помех, методах решения некорректных обратных задач при обработке экспериментальных данных, физических основах твердотельной оптоэлектроники, оптики и фотометрии (доя разработки математической модели приборов оптической диагностики);

- основных понятиях о теплофизических параметрах состояния вещества в плазмодинамике и химической кинетике экзотермических реакций Дисперсных систем, теории оптической гшро- и спектрометрии теплового ихтучения (как основы методов температурной диагностики порошковых технологий);

- методах дифракционной томографии, законах Ламберта-Беера, Бугера, теории Ми и оптических методах малоуглового рассеяния света малыми частицами (в дисперсионной диагностике аэрозолей, газовзвесей и топливно-воздушных струй);

- методах компьютерной проекционной томографии и корреляционного анализа, статистической теории транспортных потоков, времяпролстньгх методов анемометрии сжимаемых потоков (при диагностике скорости гетерогенных потоков в технологиях напыления защитных покрытий).

Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработан набор оригинальных оптоэлсктронных методов и приборов контроля теплофизического состоятся дисперсных материалов, основаных на едином методологическом подходе который заключается в том, что интегральные " оценки состояния дисперсной фазы высокотемпературных гетерогенных струйных или порошковых систем с распределапплми температурно-скоростпыми и фракционными параметрам могут быть опре ДСЛС1 П>1 с задашой точностью путем проведения совокупных (или совместных) оптических измерений шггегральных распределений теплового спектра, времяпролетиых транспортных задержек тепло- массопереноса, картины дифракциошюго рассеяния лазерного излучения и построения устойчивых приближенных решений так называемых некорректно поставлешплх обратных задач вида А*г=и, где А - матрица (или оператор), элементы которой рассчитываются по известным физическим законам, связывающих значения {Ш} векгора и -результатов прямых оптических измерений и значений {Ъ\} вектора г -искомых интегральных оценок теплофизических параметров.

Конкретные реализации такого подхода представлены в виде следующих новых методик и технологий применения их при газотермическом нанесении защитных покрытий и термосинтезе интерметаллидов : -Высокоскоростная микропирометрия высокотемпературных дисперсных сред. -Быстродействующая цифровая тепловизионная съемка быстропротекающих процессов.

-Спектральный экспресс-анализ теплового излучения и температурного распределения частиц порошка в плазменном потоке.

- Время-пролетная диагностика тепло- и массопереноса в импульсных нестационарных потоках.

- Диагностика дисперсионного состава.

Имеющиеся результаты работы выполнены на современном научно-техническом уровне и по своей комплексности опережают большинство разработок, существующих в данной области исследований, т.к. изначально

ориентированны на использования в качестве датчиков нового поколения полупроводниковых фуг национальных преобразователей: твердотельных полихроматоров - для температурного контроля и интегральных фотоматриц с программируемым сканированием и аппертурой - для контроля скорости и дисперсности.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследования открывают практические возможности оптимизации и стабилизации технологических режимов и выпуска продуктов с заранее заданными свойствами, прямого трансфера гаазмоструйных технологий с опытно-экспериментального оборудования на высокопроизводительные промышленные установки. В рамках поставленной проблемы сфера практического приложения результатов исследования включает в себя широкий спектр технологических процессов, начиная от традиционных технологий переработки и получения дисперсных материалов в химической промышленности, процессов горения утлеродосодержащих твердых веществ и подачи топлива в двигателестроении, до новейших технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиционных материалов и нанесения защитных покрытий газотермическими, электроннолучевыми, лазерными и др. методами.

Таким образом рассматриваемые аспекты применения оптической экспрессной диагностики дисперснофазиых процессов имеют межотраслевой характер, создавая существенные предпосылки для развития многих технологических областей, направлений исследования и разработок, и соответствуют требованиям "Критических технологий федерального уровня" (утв. Правительственной комиссией по науч.-техн. политике от 21.07.96 N 2728н-П8) по Разделу 1 (1.9. Опто- и акустоэлектроника), Разделу 2 (2.4. Элекгронно-ионно-плазмснные технологии), Разделу 3 (Материалы и сплавы со специальным! свойствами).

Реализация результатов исследований в виде научных методик, способов контроля и измерили, а так же в виде разработанных протраммно-аппарапгых комплексов для исследования и диагностики

быстропротекающих и высокотемпературных процессов в период с 1987 по 2000 г. была проведена путем их внедрения и использования на ряде предприятий и научно-исследовательских организаций:

- Государственном научном центре Российской Федерации ЦНИИ Конструкционных материалов "Прометей", для контроля температуры и скорости в плазмоструйных технологиях обработки порошковых материалов и изделий;

- Алтайском заводе прецизионных изделий (АО "Алтайдизель"), для контроля скорости и дисперсности топливо-воздушной струи дизельных форсунок ;

- АО "АНИТИМ"; АО "Оргтехника"(Барнаул) , в системе контроля температуры и скорости частиц при детонационно-газовом напылении защитных покрытий;

- АО "Сибэнергомаш", для технологического контроля температурного режима отжига аустснидных труб и сварных элементов котлоагрегатов;

- Институт теплофизики СО РАН (Новосибирск), для оптической томографии высокотемпературных струй;

- АНЦПТ (Барнаул), для исследовашш скорости фронта горения и энергии активации, температурной динамики процессов СВ-сшггеза.

На защиту выносятся:

1. Методы определения интегральных пространственно-скоростных характеристик двухфазных потоков, состоящих в последовательном выделении интегральных массорасходных характеристик потока в нескольких его сечениях;

2. Методы яркостной пирометрии при измерения температуры фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, учитывающие интегральный коэффициент перекрытия оптического шля зрения пирометра,

3. Способ определения энергии активации гетерогенного взаимодействия бинарных систем по механизму реакционной диффузии, основанных на выделении характерных точек перегиба на высокоскоростном участке термограммы;

4. Методы редукции температурного распределения частиц в высокотемпературной струе по их интегральному тепловому спектру излучения;

5. Основы теории приборов компьютерной диагностики распределенных параметров на базе МДП-фотоприешшков с накоплением заряда: структура, выбор метода обработки сигнала, точность прибора и влияние шумов фотоприемгапса.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований представлялись научными докладами на Всесоюзных конференциях, семинарах и совещаниях: "Формирование оптического изображения и методы его коррекции" (Могилев, 1979); "Проблемы функциональной микроэлектрошжи" (Горький, 1980); "Робототехнические системы в отраслях народного хозяйства" (Минск, 1981); "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1980, 1990); "Координатно-чувствигельные фотоприемники и оптикоэлектронные устройства на их основе" (Барнаул, 1979, 1981, 1985, 1987, 1989); "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1979, 1982); "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов" (Барнаул, 1982); "Робототехника и автоматизация производственных процессов" (Барнаул, 1983); на Международных конференциях: "Проблемы промышленных СВС технологий" (Барнаул, 1994), "Современные технологии

геодезического,фотограмметрического и картографического обеспечения землеустройства и земельного кадастра в Сибирском регионе" (Новосибирск, 1994); "Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции" (Барнаул, 1995); "Датчики электрических и неэлектрических

величин (ДАТЧИК-95)" (Барнаул, 1995); Веесибирские чтения по математике и механике (Томск, 1997); на Всероссийских и Межрегиональных конференциях: "Региональные проблемы информатизации" (Барнаул, 1995); "Экспериментальные методы в физике неоднородных сред" (Барнаул, 1996); "Методы и средства измерений физических величин" (Нижний Новгород, 1997) Веесибирские чтения но математике и механике (Томск, 1997); V-th Russian-Chinese International Symp. ЛМР"99 (Байкальск, 1999). Действующие образцы разработанной контрольно-измерительной аппаратуры демонстрировались на международных выставках: "МОТОМ-90" при 7-м Конгрессе по термической обработке материалов (Москва, ЭКСПОЦЕНТР, 1990); "Измерительная техника MERA-91" (Москва, ВДНХ, 1991); "Современные проблемы оптико-электронного приборостроения " (Новосибирск, СГГА, 1993); "Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции" (Барнаул, АГТУ, 1995); "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 1998).

Личный вклад. Постановка задач, способы их решения и основные научные результаты принадлежат лично автору . Экспериментальные исследования, разработка электронных блоков и аппаратных средств, программного обеспечения выполнены при непосредственном участии автора сотрудниками лабораторий ИФП СО АН СССР и АчтГТУ, которыми он заведовал. Под руководством и при научной консультации автора успешно защищены шесть кандидатских диссертаций.

Публикации. Научные результаты исследований опубликованы в 114 печатных работах, из mix: 6 патенгов и авторских свидетельств на изобретение новых онтоэлектронных способов контроля и измерения, 30 статей в академических, научно-технических журналах и сборниках трудов, 4 информационные карты-листка на новые разработки, включенные в банк данных государственной системы научно-технической информации, а так же в материалах докладов, сделанных на научных конференциях, в том числе 22 международных симпозиумах и семинарах. В монографии В.В.Евстигнеева, Б.М.Вольие и др. "Интегральные технологии самораспространяюп^гося высокотемпературного синтеза".-М: Высш. школа, 1996 со ссылкой на разработки автора диссертации представлена методика высоктемпературной яркостной пирометр™ для исследования взаимодействия в базовых СВС-системах. Общий объем публикаций составляет около 300 машинописных страниц.

Ойт.см н структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 255 страниц машинописного текста, 9 таблиц, 85 рисунков. Список литературы включает 236 отечественных и 58 зарубежных наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В этом разделе даны краткий обзор современного состояния рассматриваемых проблем и краткая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования. На основе проведенного анализа сформулированы основные задачи, рассматриваются основные результаты и запщшдсмые положения диссертации.

Глава1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОФАЗНЫХ СРЕД

В главе проведен анализ основных задач интегральных методов контроля (ИМК) материалов и веществ в дисперсной фазе, приведены основные виды интегральных измерительных уравнений и соответствующие им оптические схемы измерений. Рассмотрены существующие методы измерения интегральных параметров дисперснофазных сред (Д<1>С). Показано, что наиболее развитыми ИМК являются лазерио-оитические методы измерения размера частиц (РЧР) по интенсивности или спектру рассеянного ими излучения, а контроль скорости и температуры частиц в потоке ДФС осуществляется локальными методами регистрации отдельных частиц, что зачастую связало с преодолением не только технических, но и принципиальных трудностей достоверного выделения измерительного сигнала. Таким образом был сделан выбор и обос-нованис задач исследовшшя в направлении разработки методов и средств контроля распределения частиц но температурам (РЧТ) и скоростям (РЧС), аналогичных известным ИМК в области компьютерной томографии и лазерно-оптической диагностики РЧР, пршщип регистрации в которых описывается уравнениями интегральной геометрии Радона-Хелгасона. При этом, одной из целей исследования ставится задача создания единообразия в алгоритмах обработки, конструкции и архитектуре программно- аппаратных измерительных комплексов и методики их калибровки. Наиболее подходящую элементную базу для реализации таких систем контроля представляют собой фотоприемники на основе интегральных МДП-фотодиодпых матриц и Госструктур, которые на аналоговом уровне достаточно прецизионно выполняют операцию интегрирования регистрируемых ошгических сигналов в режиме накопления заряда и позволяют оперативно управлять как аипертурой сканирования, так и временем экспозиции.

ДФС, как системы многочисленных частиц вещества, характеризуются статистическими закономерностями и описываются посредством величин, имеющих вероятностный характер. В то же время, большинство методов кошроля веществ и материалов используют для описания таких систем результаты локальных измерений физических параметров отдельных частиц, , что безусловно важно для экспериментальных и теоретических исследоващщ их кинетики и эволюции, но в технологической практике такой подход крайне затруднителен. из-за необходимости накопления большого объема данных, для обеспечения репрезентативности статистической выборки. Развиваемая в данной

[Tea to лрпиееша

¡ipOISXVbiC,'

Í: Неподвижные ДФС \ fj Г Г

wjiii jiiH'ii i ii;i ,iil,, iw ^jгда^ jawíwwuOT. >

V ,— V _.7

щ'^щДиагносгшса тегпофюическихпарамтров процесса. ?;

íCi.fi'H'C'ib'ilüíüUi а>рч»е> |TcMi:e;wi\|ia ':ас-лгл;РЧП j ' :Hi>!ep ч; icni! ( (P4Pf.:;.. ; :;TwHi^iypaiipoBP,'(iicr)> ssCxopocjbчаСгиц.; ' (РЧС) ^Рао^днаж.етр-ка ,

;:;.;;;;СкО£ЮСТЪ Й КОНЦе!«ра1!НЯ

|Т«шерат^рз горения ;

Эясргнч gKTÍiB<iUHH "

;::'-Cuii:twii(4i:.Hw часг.'И .

. : Температура "ч 1 (частиц,, зоны рёакши)

работе кгащелция интегральных методов контроля, в отличии от локальных, направлена на решение задачи определения эффективных оценок теплофизи-ческих параметров дисперсных веществ и материалов шш их законов распределения по всему ансамблю частиц р ходе выполнения одной процедуры измс-рашя, т.е. интегрально.

Постановка задачи ИМК для ДФС 'заключается в нахождении оптимального компромиса между макроскопическим и микроскопическим подходом к описа-шда контролируемых физических параметров, т.к. ДФС в этом случае интерпретируется как континуальная среда "псевдогаза" частиц и представляет собой промежуточную модель между сплошными таи непрерывными конденсированными средами (ИКС) и газофазными системами (ГФС). Очевидно, что при вырождении ДФС в НКЦ или ГФС, объективным критерием адекватности и самосогласованности ИМК является их асимптотическое приближение к оценкам макроскопических параметров вещества, полученных классическими методами локальных измерений, как для отдельных частиц порошкового материала, так н для всей ДФС в рамках модели "псевдогаза". Так как в процессах контроля и диагностики обычно используется конкретная методика измерения, позволяющая экспериментальным путем определить ограниченное число параметров состояния системы, то для оценки эффективности применяемых методов необходимо учитывать внутреннюю функциональную взаимосвязь основных теплофизических параметров в рамках физической постановки задачи измерения, на основании чего в дальнейшем следует судить о том насколько полно характеризуется состояние системы набором поддающихся непосредственной регистрации величин.

Контроль температурно-скоростных параметров двухфазных потоков и изучение кинетики быстропротекающих реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режимах теплового взрыва и фронтального (в том числе спинового, пульсирующего и др.) горения относятся к области исследования термодинамики необратимых процессов, т.е. переходных процессов, изменяющихся во времени, или стационарных процессов в тех же системах или между ними . В теории используются только законы классической термодинамики, описывающие изменения, происходящие в заторможенных или фиктивно заторможенных процессах, т.е. в предположении существования локального термодинамического равновесия. Это оказывает влияние на выбор допущении, в пределах которых рассматриваются реальные необратимые ггроцессы. При таком методе исследйвания допускается, что существуют определенные давления, напряжения и температуры по крайней мере в элементарных объемах, малых по сравнению с объемом системы, но вместе с тем достаточно больших по сравнению с характеристическими размерами флуктуацион-пых неоднородностей локальных микросостояний ( средняя длинной свободного пробега, среднее расстояние между частицами вещества и т.п.); в этом случае для определения параметров термодинамического состояния можно применять основное уравнение Гиббса, а также соотношения между парамет-

рами состояния, вытекающими из него. Такое допущение может быть сделано в двух случаях:

- при достаточно медленном течении процессов;

- при высокоскоростных измерениях, когда время регистрации существенно меньше характерных времен тепловой релаксации в элементарных объемах, задаваемых измерительной аппертурой прибора.

Совокупность принятых допущений является методологической основой для разработки корректных способов измерения статистически устойчивых интегральных тегиофизических параметров усредненных по анализируемому измерительному объему, выбор величины которого, с учетом ограничений накладываемых разрешающей способностью оптической системы, должен удовлетворять оптимизационному условию:

м " [ёУор! ,х]= ы (М а[5У ,г,х]+ п [X ]),

^ ЗУ <=К

где ЗУ, 5Уор1 - измерительный объем и его оптимальное значение; х, х~ -измеряемый параметр и его интегральная величина; у - логарифмическая характеристика точности (ЛХТ) измерений; а - параметр регуляризации измерительной задачи по А.Н.Тихонову; £2 - стабилизирующий квадратичный функционал или остаточная флуктуация шгтегральной оценки измеряемого параметра; М<* - оптимизируемая функция "невязки", в качестве которой обычно выбирают общее уравнение измерительного устройства, например, в виде произведения у^тРЪу^т з здесь: Г - время наблюдения измеряемой величины; Р - мощность полезного сигнала поступающего на вход измерительной системы от объекта; Ьэ - энергетический коэффициент полезного действия процесса измерения; Шщ - энергетический порог случайных флуктуации молекулярных явлений, а также электрического тока в измерительной цепи, при абсолютен температуре Т. В цифровых телевизионных измерительных системах в качестве функции М« часто применяют эвристический критерий Крейцмера . представляющий собой аналогичное произведение полного числа N2 различаемых пространственных состояний наблюдаемого объекта на величины динамических диапазонов Ох, Оу, В/ и 1)е , обеспечиваемых аппаратурой при регистрации соответственно координат и энергетической яркости объекта. Такая постановка вопроса о роли допущений относительно масштаба измерительного объема, как меры неустранимой неопределенности I! экспериментальных данных, сформулированная Л.Бриллгоэном для оценки негэитрошш и степени адекватности эмпирических методов, позволяет объективно судить об эффективности применения в каждом конкретном случае, либо методик основанных на определении локальных термодинамических параметров дисперсной среды, либо интегральных характеристик того же объекта. В первом случае, из-за существенного значения величины V/, может возникать необходимость последующего накопления данных и статистической обработки результатов измерения, для чего контрольно-измерительному

:'.$ Од1К'Мчдо;!оо .радп^а ¡вводе';.'

О ф /^Распределение г-паранегр

.§ & ^ . ДФС

Мтч очсцшюе распредсяяше,'.;

4 : - ¡»рамгстров ДФС,: » §

О Распределены

@ ^ гпараметр

/5итрогн1Й цый.оквицала г?

! : ;

• Г г / ь :

!/ •' ■тЙ

1 1 :

Ц~<4 1 ;

на & £5 .15 (5

»ходных дашш)й V

V' ' Л реда: 5 ; йафстйч. регуляричака;!

Распределение

Р.претйшг приборя';-;

: 4 '" :Ж .•: * V 2 рода К • й-ЧДлу

йзвзс1Н1>к;|;.': '5. при исичвсхпних

V закси&хрисмродаыния • ;'•;.:'•

¡¡о ю'шио .. ,у. ■/' ;;.

• ..пашЛ.: измерения

Распределение ■■ [(¿к Распределение

комплексу требуется иметь дополнительные ресурсы по времени и вычислительной производительности , что всегда является основным ограничением при разработке и создании систем реального времени. Во втором случае появляется возможность оптимизации параметров контрольно-измерительной аппаратуры за счет появлешы избыточного запаса динамического диапазона и взаимного обмена ими в системе информационно-энергетических параметров "быстродействие - точность - чувствительность". Единственным ограничением при такого рода 01гшмизации, например при обмене неиспользованных ресур сов по чувствительности на быстродействие процесса измерения, является энергетический порог неустранимых аппаратных шумов величина которого, дтя удобства вычислений, обычно дается в виде действующего значения приведенного ко входу измерительной системы случайной аддитивной составляющей сигнала. Важнейшим выводом из информационной теории контрольно-измерительных устройств является гот факт, что при произвольном законе распределения вероятностей дезинформационное действие помехи определяется не всей мощностью аппаратных шумов / а только ее некоторой частью, которую К.Шешюн назвал энтропийной мощностью помехи. Таким образом, например, случайная величина с нормальным распределением и значением стандартного отклонения равным б, с термодинамической и информационной точки зрения полностью эквивалентна случайной величине с равномерной функцией распределения, резко ограниченной в полосе неопределенностей равной 2А. При этом , интервал неопределенности характеризует-

В случае произвольного распределения р(х) измеряемой величины х, интервал неопределенности находят по значению условной энтропии, оставшейся после измерения:

Н (А' ! X ..... ) = - | р(х)1". /? ( X ) <1 X = 'д( :д),

а также через значение среднеквадратического отклонения:

Зависимость между энтропийным интервалом неопределенности А и сред-неквадратическим стандартным отклонением б может бьпъ представлена в виде Д= & , где коэффициент К подобен коэффициенту формы, связывающему действующее и среднее значение электрического тока. Эта величина впервые была введена в рассмотреть П.В.Новицким, как энтропийный коэффициент (ЭК) закона распределения, которым было впервые экспериментально установлены два следующих свойства:

- практически для всех одномодальных гладких законов распределения ЭК имеет нижнюю границу Кн=(3)1/'2= ],73... , соответствующую равномерному закону распределения со строго огршшченной шириной интервала неопределенности 2А , а также абсолютную верхнюю границу области возможных значений Кв=2,066... , соответствующую нормальному распределению ;

| х г р (х ) ах.

- для произвольных законов распределения область возможных значений ЭК определяется относительным четвертым моментом и ограничивается табулированной кривой, причем эволюция значений ЭК при сохранении симметрии распределения происходит вдоль этой кривой (вправо от максимума - с ростом отрицательного эксцесса и появлением многомодальности, влево

- с ростом положительного эксцесса и обострением формы распределения), а при увеличении асимметрии - от максимальных значений внутрь области , ограниченной кривой.

В применении к задачам диагностики интегральных теплофизиче-ских параметров дисперсной конденсированной фазы (ДКФ) гетерогенных объектов, изложенный выше подход, на наш взгляд, представляется наиболее предпочтительным, так как с его помощью может быть найден комнромис между ограничениями накладываемыми на размеры элементарных объемов, по которым проводится усреднение контролируемых величин, и естестиенным стремлением увеличить разрешаемую способность , чувствительность и быстродействие разрабатываемых методов измерения. Как видно из приведенных выше соотношений, представляющих собой тшформавдотшо-энергетическую трактовку известного пришита неопределенности для котггрольно-измерительных систем, улучшав« одних технических характеристик диагностической аппаратуры происходит за счет ухудшения других. Таким образом исследование потенциальной точности любого разрабатываемого метода контроля должно начинаться с изучения нижней грашщы достигаемого энергетического порога приведенных ко входу шумов, т.е., в случае опгоэлектронных методов, к уровню эквивалентной фоновой засветки. Полезным преимуществом энтропийного подхода к анализу результатов измерения ¡шляется также то, что при оценке статистически устойчивых, но распределенных параметров ДКФ, без потери точности можно воспользоваться моделью наиболее простого закона распределения, обеспечив, путем перенормировки ЭК, лишь соответствие энтропийной мощности его и флуктуационпой помехи.

Таким образом создается методологическая основа для развития двух подходов к решению задач диагностики в средах с распределенными параметрами:

1. Определению первых статистических моментов распределения (среднего, мода, медианы) и доверительного интервала неопределенности, задаваемого энтропийной мощностью закона распределения - эта постановка соответствует обычным задачам технологического контроля температурно-скоростных параметров ДФС;

2. Выявлению приближенной, с заданной степенью точности, формы распре-делешм контролируемого параметра - эта постановка характерна для задач технологического контроля в неравновесных многокомпонентных процессах высокотемпературного синтеза, когда ДФС может представлять собой смесь частиц принципиально имеющих разную температуру ( например плавления), а задача контроля заключается в определении их количественного соотношения.

( Х:поы1ыо'',а;1П'1К «••irnt'ia.KOÏi

ДошрольРЧТ -3 kîci q xrikr :с2 is î':r чктпщ .?.- ;;u тсмг.цупурам '

КонгрожРЧС :: : paà ^хдечешя «biciíii t ••• mCKOpocTTÎ

•г г dV

íV ' :У~ ä Г f -с-r1-cm

. Кошро:п.>РЧ1' раепреясясшю даспа" j в) размерах: ;

- di , • A.-": •-/" . .

jÍBit i вн гаральштЧвмфйте'мюго урпвна шя:

Основные виды интегральных измерительных соотношений, реализующих рассматриваемые методы диагностики распределения параметров дис-перснофазных сред, соответствуют трем типам преобразований светового потока применяемых в оптических схемах (ОС) измерения:

1. Проекционные соотношения. В настоящее время, для исследования внуг-решшго строешш пространственной структуры обьекта с помощью некоторого вида излучетга , которое распространяется по прямой с интенсивностью, изменяющейся соответственно законам Бугера-Бера, используют шгогоракурс-ные проекционные электрошю-огггические системы характерные для трансмиссионной или эмиссионной томографии (в зависимости от того, является объект поглощающим или самосветящимся). Общим видом интегралышх соотношений между исследуемой структурой объекта f(x) и регистрируемыми оптической аппаратурой теневыми проекциями g(s) является преобразование Радона, или более общие виды проекций- лучевые и веерные преобразования:

g = Rf(&, Л') = J / (x)dx = J f{S& + y)dy , где R- преобразова-

*»S-Í вд.

íme Радона.

Спектральные уравнения Задача нахождения функции распределения частиц по размерам C(z) в этом элементарном объеме представляется как задача по обращению шггегралыюго уравнения Фредгольма первого рода:

Т(.х) = j F(x,z)C {z)clz ,

где F(x,z) - ядро уравнения, известное из теории рассеяния света на отдельной частице, lF(x) - экспериментально определяемая функция параметра х. Ядро уравнеши F(x,z) может быть индикатрисой рассеяния монодиснсрсной системы частиц радиуса z, тогда Ч"(х) - индикатриса полидисперспой системы; либо F(x,z) - показатель рассеяния, тогда Т(х) - показатель рассеяния при длине волны Х=х, и т. д. Найти метод расчета неизвестной функции распределения C(z) но известным функциям F(x,z) и Т(х) составляет задачу теории обращения. Обращение интегрального уравнения первого рода через замену его алгебраической системой, записываемой в матричной форме в виде: 4'=FC, где lF - столбец значений экспериментально

определяемой функции Т(х); F - матрица, составляющая ядро уравпешм ; С -столбец значешш функции распределения по размерам, приводит к пршщигш-альным трудностям, свойственным задачам такого вида. Погрешности в измерении значений lF и неточности в расчетах ядра F, приводят к серьезным ошибкам в определешш значений функции С, причем правильное математическое решение уравнения может содержать отрицательные корит, то есть физически не реализуемые. Такие задачи являются некорректными, причем чем больше размерность уравнения, тем более чувствительно к ошибкам ее решение. Однако, в некоторых случаях задачу удается аналитически обратить и

получить выражение для C(z) не решая уравнения в матричном виде. Метод спектральной прозрачности. Метод состоит в экспериментальном измерении показателя рассеяния c(A.j) частиц в некотором объеме среды на различных длинах воли падающего излучения. Показатель ослабления слоя рассеивающих частиц определяется по закону Бугера: с(?^)=1п(1/т(^))/Ь. После некоторых математических выкладок определение функции распределения частиц C(z) производится по формуле :

= +C0ic!>0(2-/zt) + C2 j, где

ДO^Oj-O^ §j 6[9j_i;0j]- 0 С0 = lim c(0j).

" J - - J—> CO '

t=Mjn- Фг(у) = созу ~ l; G; > t;

a>(x) = xSinx+Cosx-1 ; c<ay -2sm±-+i> У = ~ i

n _ j С (z)dz - концешрация частиц.

Метод метод спектральной прозрачности применим для непоглощающих однородных сферических частиц для которых относительный показатель преломления rte зависит от длины волны X и близок к единице.

3.Дифракционные соотношения Метод малых углов (ММУ) основан на измерении шггснсивности рассеяного света в малых утлах вокруг направления на источник. Этот метод применим для анализа крупных частиц (s»l). Ин-1 в малых у глах, рассеяного дисперсной средой:

ÜiiiJt-ii} !

/ г ß \ - 1 ° f г с2 г 2 <• п\а- ■ Точное обращение этой формулы дает: * \ Р ) ß 2 J V-/~ \ i'P J®-

С (z) = _ 2 j F {sß {ß )dß , где ядром F(x) является xJi(x)Yi(x), Y, -j *

, l(ß) определяется в

функция Неймана, ( 2 г. У d

результате опыта, вычисляегся по известным l(ß). При значительной полидисперсности среды возрастает методическая погренлюсть определения функции распределяли.

Метод многоволнового обратного рассеяния состоит в экспериментальном измерении на нескольких дяинах волн Л] показателя рассеяния С (л:, Л ;) 15 направлении, противоположном направлению падающего излучения (у = тг) ■ Прямая задача записывается в виде:

С (.г, 2у) = |я22(2л )С{г)ё2 ,где д - фактор рассеяния в противо-

положном направлении.

1. Анализ методов и средств регистрации скоростных параметров и фушеций распределения по размерам показывает незавершешюсть изучения полидисперсных потоков. Разработанные к настоящему времечш методики и регистрирующая аппаратура часто не дают возможность автоматизировать процесс регистрации и имеют большую погрешность. Все это свидетельствует в пользу поиска новых и совершенствования известных методов регистрации характеристик полидисперсных потоков на основе оптических методов регистрации.

2. Основные виды интегральных измерительных соотношений, реализующих рассматриваемые методы диагностики распределяй* параметров дисперсно-фазных сред, соответствуют трем типам преобразовшшй светового потока применяемых в оптических схемах (ОС) измерения: 1. Проекционные ОС -интегральное преобразование Радона; 2.Дифракцио1Шо-шггерферен1щош1ые ОС - интегральное преобразовашк Фурье, 3. Спектральные ОС - интегральное уравнение Фредгольма.

3. Единообразная шггеграпьная форма измерительного уравнения в задачах диагностики распределенных параметров дисперснофазных сред позволяет разрабатывать общую теорию функционирования приборов компьютерной диагностики, включающую в себя единые функциональные и алгоритмические схемы обработки сигнала, методику их метрологического обеспечения.

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРИБОРОВ КОМПЬЮТЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ

Требования к быстродействию приборов в ИМК ДФС, определяются высокой скоростью протекаггия реакций высокотемпературного синтеза. Особенность струйно-плазменных технологий в металлургии, и 1! химии в целом, состоит в том, что участвующие в процессе вещества быстро превращаются в гомогенную систему , либо под воздействием плазмы активизируются процессы, идущие на поверхности раздела фаз и создаются неравновесные условия с избытком свободной энергии, необходимой для топохимических реакций структурообразовашш новых материалов и сплавов с особыми свойствами. И в том и в другом случае происходит эффективное раскрепощение участников химического взаимодействия. Согласно закону Аррениуса, скорость химических реакций с ростом температуры возрастает по

экспоненте: х (?) - А е кт ■ Однако в классической металлургии такие скорости остаются недостижимыми из-за предшествующих или медленных процессов диффузии вещества и параллельных процессов конвективио-кондуктивного теплообмена, характеризующихся соответствующими числами

Прандтля р , р Био щ _ а1У и др. в которые входят

характерные линейные размеры среды ( с! - диаметр, Ь - пространственная протяженность, а- коэффициент температуропроводности [м:/с], -тешюпроводность ¡Вт/(м*К)] ) и характерные масштабы времени Фурье I с _ Ь1^/. Это объясняет невысокие требования к быстродействию приборов

контроля, например, для серийных цифровых пирометров порядка 0,5 - 10 секунд на одно измерение.

При переходе к плазменно-порошковой металлургии и СВ-сшггезу роль термодиффузионных процессов уменьшается за счет уменьшения характерш>1х масштабов в мелкодисперсных порошковых средах и предварительного температурного выравнивашм частиц находящихся в плазме . Скорость протекания в таких условиях химических реакций приближается к максимальным теоретически возможным. Характерные времена импульсных нестационарных процессов, определяющие быстродействие контрольно-измерительной аппаратуры, составляют: 1мс - 100 мс ( СВ-синтез); 100 мке -10 мс ( впрыск топливной струи); 1 мкс. - 10 мс ( детонациошю-газовос напыление). Видно, что применение локальных методов контроля параметров отдельных частиц требует высокого быстродействия, т.к. оно определяется нижней границей характерных времен. Примените ИМК предполагает регистрацию суммарного оптического сигнала за полное время протекания процесса от всей группы частиц ДФС, участвующей в нем. Таким требованиям вполне удовлетворяют как телевизионные измерительные системы (ТИС) вещательного стандарта с межкадровым временем накопления 20 мс, так и

современные цифровые фотокамеры на ПЗС и МДП-фотодиодных структурах, обеспечиваюпще выбор времени экспозиции в диапазоне от 0,1 мс до 1 с. Дополнительные ограничения на быстродействие ТИС накладывает необходимость синхронизации с началом импульсного процесса._

Физический прибор К(я,х)

f Излучение Одический V тис \

■"""........ ФДМ% _

П - У- ^.......V. А * Л ' Л 1Л Л I I I I I I t'"i-.........

о*@ \/© ©

ДФС ОС -Ьл(х)

«1 1] ti w

сигнал _

Q ^ 7-пвраметр

Искомая

Pacnj>tdiainij£

функция распределения

' Редуцированная N'

Виртуальный прибор компьютерной диагностики А=Л*К

функция распределения

Обобщенная функциональная схема прибора компьютерной диагностики

Обобщенная математическая модель работы приборов компьютерной диагностики параметров ДФС интегральными методами контроля рассматривается на примере импульсного слабозапыленного потока частиц, поочередно и в случайный момент времени пересекающих измерительный объем. Очевидно, что такая модель так же справедлива для контроля неподвижной ДФС и ТИС с известным законом сканирования измерительного объема, заполненного случайным образом частицами, размер которых не

меньше величины оптической разрешающей способности прибора. В нашем случае сканирование частиц обеспечивается движением потока относительно измерительной оптической системы (ОС). Каждой частице соответствует свое значение контролируемого физического параметра г,, связанного с интенсивностью оптического излучения С, (х) законом физической оптики Л(г!гх) , например дифракционного рассеяния, спектром теплового излучения, лучевой проекции и т.п. При этом х - регистрируемый параметр оптического излучения (угол дифракционного рассеяния, длина волны, координата проекции и т.п.). Фотоирисмник ТИС и тракт ОС вносят искажен™ в оптический сигнал , которые описываются соответствующими аппаратными функциями к[(х) и Ь(х) ( спектральная чувствительное п., дифракционный предел разрешающей способности, астигматизм, аберрация и т.п.). Тогда, преобразование величины контролируемого параметра z¡ в выходной электрический сигнал ТИС %,(х) = к/(х) к2(х) , может быть описано с

помощг.ю обобщенной аппаратной функции всего прибора в целом К(г,х), а входной оптический сигнал, зарегистрированный за время полного сканирования всех частиц, в интегральном виде:

?(*) = !>, = ¡Л(г,х)/(г)с12 ,

где /(г)=сИМг - искомая функция распределения контролируемого, параметра ДФС. В случае неподвижных ДФС, С,(х) может иметь физический смысл индикатрисы рассеяния по.чидисперсной среды, теплового спектра разнородно нагретых тел и т.п. В рассматриваемом случае, регистрации движущегося потока частиц, ц, (х) может проявляться в виде треков или "смаза" изображения при использовании ОС проскциошгого типа. Решение задачи ИМК состоит в определении функции /(г) по выходному сигналу ТИС, когда опгаческий параметр .г взаимно однозначно определяется координатой точки сканируемого изображения , например, когда каждому элементу телевизионного изображения соответствует своя длина волны, угловой или линейный параллакс световых лучей рассеятшых или излучаемых частицами ДФС. В простейшем случае проекционной ОС параметр х может быть просто координатой изображения частицы. Прямую задачу измерения можно записать в интегральном виде:

£(х) = кх(х)к2(х)д(х) =\{кх{х)кг(х)А(7,х)Щ2)<к = | К(г,х)/№

, которая в дискретном виде соответствует операторному уравнению £ = А/. -

дня идеального прибора, и g=Kf - для реального прибора. На практике истинное значение § никогда не известно, так как оно всегда содержит

некоторую экспериментальную ошибку П . Поэтому измерешпле дашште §

можно ¡тредставшь в виде = £ Н, где gd - известная матр1ща размера Мх 1, а п - матрица экспериментальных ошибок размера Мх 1.

¡Задачи редукции к «деуякреяу иззиСору А

Критер ий датшагвд гости уело»»» мяшшад тпш

1МШ®1||8111 II

пгд; ^лидгмч к К и |<И;-И ;[!)!¡УХШуЖ^ШД:

¡ШЙр||»1111Я1111

Распределение

Кр1П1рИЙ ЙГВВКЫШЖЙ!

г.с. донусшм учыьст, и

I ^ А" 1¿ч к.

Решение обратной задачи диагностики сводится к процедуре подбора искомой функции/и минимизации следующей положительной величины:

и = (я,- А/Т - ¿л+к с/ - л г (/ - /о)+/2 т * (вл,

где индекс + обозначает комплексное сопряжение и транспонирование, У\ 11 у 2 - положительные константы, уо - "пробная" функция, а В - матрица размера МхМ, описывающее некоторое сглаживание f . Первое слагаемое является мерой точности _/ . Заметим, что если экспериментальных ошибок нет, то g¡J = = у3 = 0,и = О - минимальное значение и и

решением является / — А . Второе слагаемое указывает на отклонение

/ от пробной функции /0 , а третий член характеризует отклонение / от идеального сглаживания, соответствующего (В/) — 0. Обычно (Б[/") описывает первую или вторую производную.

Таким образом, основная задача ИМК параметров ДФС приведена к постановке, аналогичной задачам вычислительной диагностики в томографии и дисперсионном анализе мутных сред по характеристикам рассеянного излучения. Данная постановка сделана в самых общих допущениях относительно свойств ОС измерения и контролируемых параметров. Она охватывает более пшрокий класс физических приборов контроля. Благодаря учтенным в модели особенностям скаштровашга частиц ДФС датчиками ТИС, использующими режим накопления заряда.

Постановка задачи редукции в оптической диагностики распределенных параметров, сводится к выбору способа достижения требуемого "качества" компьютерного прибора И, в зависимости от степени неопределенности прямой задачи измерения. Для этого предложена следующая классификация:

Компьютерный прибор можно характеризовать тремя паспортными как обычный физический прибор:

Ще, 5) - Е||'п|р - уровень аппаратных шумов , привелешсы х ко входу

ОСе. 6) = ¡¡К - К а [Р - ¡¡связка ^ Я(е, 6) < 5 - качество прибора К0

Зависимости И = Н(с,б), й = 0(е,8), q = я (с, 5) задают оперативную характеристику комплекса, которая служит паспортом, определяющим его "приборные" возможности. Оптимизация параметров прибора производится стандартными методами регуляризации в соответствии со следующим алгоритмом:

Алгоритм ошими.вдии ' • параметров прибора •

-Определаше энергетического порога темпокмх шумок ФДМ

' Калибровка прямой задачи

Эксперимеэтальное определение аппаратной фушлщи прибора К по набору, эталонов

Метод Туми II = (КТК + ссн)-1 • (ктс; + ар) Метод Тихонова К = (К + 0(В)-1

Регуляризация

Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДИСПЕРСНОФАЗНЫХ СИСТЕМ

Методы вычислительной диагностики интегральных параметров движения двухфазшлх газодисперсных сред относятся к классу обратных задач, т.е. устойчивость их решения зависит не только от точности экспериментальных данных, а также от правильной интерпретации физического смысла результатов измерений и выбора структуры интегрального измерительного уравнения, адекватно отражающего природу процесса и аппаратную реализацию способа измерения.

Метод редуцирования температурного распределения частиц по их интегральному тепловому спектру

Современный подход к диагностике температуры запыленных плазменных струй основан на исполъзовашш методов оптической пирометрии для определения температуры на поверхности локальных частиц. Обычно при таких способах измерения возникает много технических трудностей связанных с юстировкой оптического канала , а также требуется последующая статистическая обработка данных. Это ограничивает возможности применения данных устройств в реальных технологических процессах. В основу рассматриваемого метода положена возможность регистрации суммарного теплового спектра от группы самосветящихся частиц переносимых потоком плазмы через сечение задашюе измерительной апертурой спектроапализатора, использующего шюгоэлементный линейный фотоприемник в режиме накопления заряда. Решение обратной задачи позволяет восстановить температурное распределение частиц, суммарный тепловой спектр от которых был зарегистрирован за время регистрации. В результате исключается необходимость применения статистических методов для получения гистограммы температурного раенределеши. Отметим , что для получения дискретной аппроксимации закона распределения достаточно результатов однократной регистрации суммарного теплового спектра частиц.

При рассмотрении процесса регистрации теплового спектра излучения частиц в слабозапыленных плазменных потоках приняты следующие допущения:

- учитывая низкую концентрацию частиц в потоке и использование на выходе спектрофотометра многоэлементного фотоприемника в режиме накопления заряда, регистрируемый видеосигнал представляет собой сумму' тепловых спектров отдельных частиц;

- каждая частица находится в изотермическом состояшш с неизменной температурой за время прохождения частицей зоны регистрации;

- размер частиц определяется их средним диаметром.

В этих предположениях модель теплового спектра частицы как "серого" тела можно записать в виде: Г(Х,Т) = 8(Х,Т)-Ср(Х,Т) , где в(х,Т) - относительная

излучательная способность частицы порошка и ф()>,Т) = С! • X 3 /(еС2 /А,Т -1)

- функция Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела.

Оптическая схема измерения

# 0 01Р^ 07 А

Лщ 1

О - входной объектив; Я - щель; 01- коллиматор;О -диспергирующий элемент; 02 - фокусирующая линза

Спектральную разрешающую способность (3 реального спектрофотометра

можно аппроксимировать функцией Гаусса С?(Х,0 -Я.) = <30 • е-^ .

Таким образом информациошгый сигнал на выходе оптического канала определяется выражением

Заметим, что для большинства приборов с высоким спектральным разрешешюм величина СТ очень мала (О —> 0), а значит и функция стремится к дельта-функции, что позволяет утверждать о выполнении асимптотики ЩХД) —> г(>-,Т). Регистрируя тепловой спектр линейным многоэлементным фогоариемником, необходимо учитывать дисперсионную характеристику спектрального прибора Н=Ы(л), где Ы- номер ячейки (координата), нелинейно связашшя с длиной волны X. В результате , выходной сигнал фотоприемника и(Ы)=и[Ы(Я)]=и().) будет пропорционален суммарному тепловому спектру частиц порошка, прошедших зону регистрации за полное время накопления заряда, а именно :

р(Х)= |ка,т)-р(т)ат,

где Р(Т) - функция распределения зарегистрированных частиц порошка по температуре. Например , интегральный тепловой спектр потока частиц в приближении модели "черного тела" можно записать в виде:

Ттах Тггтад «о

Следовательно, зарегистрировашплй спектр 1ДХ.) можно связать с интегральным тепловым спектром Р(Х) следующим образом: и(>-)=п(^-)'Р(^-)> где п(Х)= П1(/*-)-П2(>.) будем называть "аппаратной функцией" всего сквозного каната регистрации. Эта функция является комбинацией искажений оптического тракта 1^(1) (например, спектралышй коэффициент пропускания оптического тракта) и аппаратной функции пг(Х) электрошого тракта . Обычно в качестве П1(?.) учитывается спектральный коэффшщенг пропускания оптического тракта, а в качестве пг(Х) - спектральная фоточувствительность фотоприемника. Аппаратную функцию сквозного каната можно определить на этапе калибровки (тарировки) по стандартным эталонным излучателям:

П-еР(>-)=иэП(>-)/РэП(л). Таким образом, исследуемый интегральный спектр выражается так Р(?.) = ЩХ.) ■ Щ7.), где |И(Х) - 1 / П-е р(Х) - корректирующая функция , которая

позволяет компенсировать мультиплшсативную составляющую искажешш вносилс>1х оптическим трактом регистратора. Необходимо заметить, гпчо аддитивные искажения учитываются непосредственно в функции ЩА.). Физическая модель измерения и методика калибровки . Используя спектральный прибор с высокой разрешающей способностью (а =0) и регистрирующую аппаратуру с неизменной аппаратной функцией, для однородно прогретого объема частиц порошка заданного состава измерш'елъное уравнение записывается в виде:

ит(Я.) = ичп(?.,Т) = Птар(Я)-1^(7,,Т) = Пгар(А)-8Ч[1 а,Т)-ф(?ОГ),

здесь 8ч, (?.,Т) - относительная излучателышя способность частиц порошка в

однородно пробегом объеме. Вследствие этого способ тарировки такого измерительного комплекса сводится к определению только функции Гчп(>.,Т)

по тепловому спектру материала на задашшх значениях температуры, а именно ГЧП(А.,Т) = ич1,(Х.,Т)/Птгр(Х) .Таким образом, с учетом высокой

разрешающей способности спектрального прибора (а =0) можно записать :

Ба)= |Гчп(^,Т)Р(Т)с1Т.

Прямая задача определения спектрального состава теплового излучения выражается шггегральном уравнением Фредгольма первого рода с ядром К(1,Т):

\ К(>.,Т)-г(Т) ¿Т =и(?.),где г(Т) — искомая функция из метрического пространства Р, и(Х.) зада1шая функция из метрхиеского пространства и. Так как излучение объекта регистрируется набором фотоячееОк, находящихся в

различных спектральных диапазонах, то зарегистрированные ФДЛ электрические сигналы и(А.) описываются системой уравнений : |К(Х.1>Т>г(Т)с1Т=и(?.,) ;

!К(>,,„Т)2(Т)с1Т=и(Хп) . Численные методы решения интегрального уравнения Фредгольма основаны на замене интеграла суммой по одной из формул приближенных вычислений, то есть :

и(Я,) = гСП) -А(А.,.Т|)+..............+ 2(ТЛ) -А(>-,,Т„) ;

и(А.п) = г(Т)) -А^рТ,^..............+ г(Т„) -А(^ТП)

Условия жесткой фиксации фотоячешш на соответствующей длине волны в фокальной плоскости монохроматора позволяет перейти к системе уравнений с зависимостью не по I, а по номеру фотоячейки :

= 2(Т0 -А(Кяч1 .Т,)+-.'...........+ 2(ТП) -А^ч, ,ТП);

и(Кяч„) = гСГО ^(N«„^1)+..............+ г(Тп) •А(Кя.т,Т„).

Данную систему можно записать в операторном виде : А-г = и. Исходными соотношениями для построения программного комплекса являются : закон Планка , уравнение спектральных плотностей излучения .

Исходными данными для проведения числешюго эксперимента являются:

а) минимальная Ттт и максимальная Ьшах длины волк излучения частиц конденсированной фазы движущихся гетерогенных объектов , которые можно зарегистрировать;

Примеры редуцирования температурных тест-распределений

I п\тг:1 Глунrrm.ni "Г

б) разрешающая способность регистрирующей аппаратуры , которая определяет интервал длин волн <3.1 между' соседними измеряемым! величинами

в) минимальная Ттт и максимальная Тшах температуры частиц в изучаемом гетерогенном объекте;

г) разность <Й меж;1у температурами двух частиц , спектры которых можно однозначно различить;

д) индекс к , который адресует к различным моделям распределения температур частиц в движущемся гетерогенном объекте ;

е) разрядность АЦП регистрирующей аппаратуры , которая влияет на точность преобразования аналогового сигнала в цифровой .

Исследование разрешающей способности метода редукции интегрального теплового спектра в температурное распределение частиц проводится с помощью численного эксперимента, который состоит из трех этапов.

На нервом этапе известна гистограмма Ъ температурного распределения N частиц конденсированной фазы движущегося гетерогенного обт.екта. То есть мы знаем , сколько частиц с какими температурами было зарегистрированно. На ее основе строится график и зарегистрированного на фотоприемнике интегрального теплового спектра от N различно нагретых

частиц. Входными данными для этого этапа являются вышеперечисленные пункты а) — д).

На втором этапе решается обратная задача — по известному интегральному тепловому спектру Y восстанавливается гистограмма Ъ температурного распределения N частиц конденсированной фазы движущегося гетерогенного объекта . Дополнительно к входным данным первого этапа на втором этапе вводятся параметры регистрирующей аппаратуры, то есть разрядность АЦП. Это делается для того, чгобы построить график Y интегрального теплового спектра излучения от N различно нагретых частиц в той форме, в какой он должен быть на выходе АЦП после оцифровки.

Интегральный тепловой спектр от N частиц описывается системой уравнений, которую можно зашкаль в операторном виде : U=Z -А , где А — матрица размером N*N значашй {aij(l,,Tj)} спектральных плотностей излучения частиц; Z— вектор - столбец zi(Ti)...,л(Т;),...zn(Tn) , где z,(Ti)

число частиц находящихся в состоянии с температурой Т,; U — вектор - столбец ui(1i)...,u1(1,),...Un(1n) , который является зарегистрировашсым интегральным тепловым спектром от N частиц .

Решение обратной задачи , то есть преобразование интегрального теплового спектра Y в температурное распределение частиц Ъ производится по формуле , которую можно записать в операторном виде :

Z =A"'-Y .

Ошибка определешщ значений Zi(Ti) при расчете вектора — столбца Ä описывается формулой AZ-^AY/|A| ,где |А| — это определитель матрицы {au(li,Tj)} спектральных плотностей излучения частиц .На третьем этапе сравниваются 2-е гистограммы температурного распределения : 1-ая гистограмма Z задана явно на первом этапе , 2-ая гистограмма Z получена в результате машинных расчетов на втором этапе. То есть высчитывается погрешность Д .Выполняя заданное количество итераций первого и второго этапов, строится два графика:

а)график зависимости погрешности квантования Д1 ог разрядности АЦП ;

б)график зависимости погрешности вычислений Д2 от средней температуры Тер. частиц в движущемся гетерогенном объекте.

Вычисление методической погрешности А;, оценка погрешности квантования Ali,оценка погрешности результата измерашй Д2,

Метод редуцирования распределения скорости частиц по их интегральным время-пролетным характеристикам

Для исследований двухфазных струй применен критериальный подход к огшеангао теоретической модели когпроля скорости частиц. Поток частиц рассматривается как движение сплошной среды, а его скорость - как скорость равных компонент потока пссвдогаза. При анализе двухфазной струи использованы эйлерова и лэгранжева физические модели распространения потока, как наиболее полно описывающие процесс детонационно-газового напыления (ДГН) с точки зрения контроля скоростных характеристик струи. Данные модели позволяют обеспечить связь теоретических и экспериментальных исследований. Использование модели лшогоскоростного континуума позволяет рассматривать поведение не отдельной частицы, а ансамбля или группы из N частиц, при этом необходимо говорить не про скорость частиц, а про скоростную интегральную характеристику (интегральная характеристика к едшпгпгой частице, дифференциальная ко всему потоку) твердофазного континуума каждому из которых в каждой точке соответствует плотность (приведенная) р1 (масса ¡-ой составляющей в единице

скоростям, в зависимости от размера частиц

относящиеся к своему континууму. Впервые сформулирован критерий обобщенной мггегральной скорости двухфазного потока на основе модели континуального псевдогаза частиц, суть которого заключается в усреднении скорости, следовательно, и импульса порции частиц (континуума), а не потока в целом. Выявлены основные факторы, определяющие разный скоростной характер потока частиц: динамический напор - за счет лобового сопротивления частицам передаегся импульс от плазмы, скорость которых зависит от их размера; в следствии, действия сил вязкости - уменьшение скорости от оси к стенкам ствола; продолжительность разгона частиц как следствие разного местоположешм в стволе.

Впервые предложена методика графоаналитического расчета распределения частиц по скоростям, в зависимости от размера частиц, поясняющая приобретение частицами разных скоростей с последующим перемещением их до точек анализа.

Принцип действия: в фазовом пространстве скоростей и диаметров (V, (1) частице с диаметром с!1 (распределение 1"(с1)) соответствует скорость VI (распределение Ду)) пути перехода указаны стрелками; для полученной скорости частицы ставиться в соответствие их наиболее вероятное распределение р:(х) внутри ствола на расстоянии 1, которое заменяют равномерным распределением, прямоугольником длшшы 1, соответствующего длине ствола установки ДТП, и площадью равной площади исходного распределения. Искомые распределения в зонах анализа получают при перестроении прямоугольных номограмм вдоль соответствующих характеристик в фазовом пространстве I, х: при некотором фиксированном Погибающая номограмм даст р^х), а при фиксировании зон анализа в точках Х|, Х2 и изменяющемся I - Ц1(1), ЦгСО- Пример вычисления скорости показан на рисунке 1.

Обоснована математическая мидель контроля скоросттгых характеристик гетерофазных струй на основе сформулированного критерия обобщенной интегральной скорости двухфазного потока и принципа неразрывности потока Методика контроля скоростных характеристик двухфазного потока заключается в последовательном выделении оптическими средствами теплового излучения одинаковых порции частиц потока, описываемых как континуумы, измерешш времени пролета каждого из континуумов известного базового расстояния, задаваемого нескольким! фотоприемниками. В качестве оптического преобразователя выступает линейная многоэлсментная матрица из N фотодиодов. Опирается тем, что интенсивность потока частиц определяют по интенсивности светового излучения, плотность потока части; -по разности интенсивностей потока частиц в сечениях, задающих базовое расстошше. Интенсивность потока частиц в ьом сечении определяется из выражения:

где ЩО - выходной сигнал с ¿-го фотодиода; к=соп51 - константа преобразования.

Скорость частиц находят как отношение интенсивности потока частиц во входном сечении потока к плотности потока частиц на участке, задающем базовое расстояние, в соответствии с выражением:

при этом минимальный интервал времени необходимый для переноса через сечения, задаваемые фотоприемниками, одинаковых порций частиц находится их следующего равенства:

где j - номер сечения (номер фотодатчика) потока, соответствующий выходному сечению, задающему границу базового расстояния, изменяющийся от 1+1 до Ы; N - количество фотоприемшжов; 1 - номер сечения (номер фотодатчика) потока, соответствуют!®; входному сечению, задающему границу базового расстояния, изменяющийся от 1до N-1; АЬ=(и)Ц Ь - базовое расстояние между соседними фотоприемниками; Ди(т)=и/т)-и,(т);и1(1.),и,(1) -сигналы на выходе соответствующих фотопреобразователей; Д(х(т)=ц3(1)-|11(т) - соответствует разности интенсивности потока частиц пролетающих через ь ое и ]-ое сечения потока; р;(0 - интенсивность потока частиц в 1-ом сечении потока; цД) - интенсивность потока частиц в ]-ом сечении потока; I - текущее время; Д1 - минимальный интервал времени необходимый для переноса через заданные сечения потока одинаковых порций частиц; знак соответствует условию, когда поток частиц "втекает" на участок контроля. Соответствующие расходные характеристики рКО в сечениях получают, интегрируя интенсивность потока частиц за период цикла установки согласно выражению:

Разработано устройство контроля, реализующего предлагаемую методику. В соответствии с описанной выше методикой контроля скоростных характеристик быстропротекаклцего нестационарного потока, разработана методика оценки погрешности измерений. На основе этой методики есть возможность рассчитать минимальное число интервалов дискретизации для заданной порции частиц, тактовую частоту устройства контроля, верхнюю и' нижнюю границу распределения частиц по скоростям и количество групп скоростей.

Проведенный анализ физической постановки основных задач диагностики ДФС позволил выявить их степень некорректности по А. II. Тихонову, как обратных задач и оценить возможность обращения соответствующих им интегральных измерительных уравнений. К хорошо обусловленным задачам по Тихонову, допускающим процедуру прямого обращения при уровне приведенных ко входу шумов фотоприемника АУ/ < кДТ, где Д Т-разрешающая способность но температуре, относится редукция температурного распределения частиц по их интегральному тепловому излучению, если регистрирующий излучение спектрофотометр будет тарирован по эталонным источникам теплового излучения в соответствии с законом смещсшы Вина: ||лтшТтах-?-тахТтт|<§, определяющим вычислительную устойчивость метода.

Задача диагностики скоростных характеристик частиц ДФС в нестационарных импульсных потоках может относится как к хорошо обусловленным обратным задачам в простейших гидродинамических моделях, реализующих времяпролетный метод, так и к умеренно некорректным затачам, сводящихся к решению известных задач томографии самосканирующегося объекта, движущегося относительно многорахурсной оптической регистрирующей системы. При этом, кроме прямых методов обращения возтшкает необходимость с усредненными или отфильтрованными результатам! измерений.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВ-СИНТЕЗА МЕТОДАМИ ЯРКОСТНОЙ ПИРОМЕТРИИ

Особенности высокотемпературных процессов порошковой металлургии требует разработай новых методов и средств оптической пирометрии. Основными требованиями предявляемыми к ним является высокое быстродействие, в виду существенно возросших скоростей протекания реакций, а также существешюе влияние дисперсности среды, проявляющееся в проблеме измерения температуры малых тел. Кроме того, ггриходится учитывать изменение пористости и излучателыюй способности порошковых материалов при их термохимическом взаимодействии.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ БИНАРНОЙ СМЕСИ ТьА1 В РЕЗУЛЬТАТЕ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА Важнейшей характеристикой тугоплавких материалов, используемых для нанесения защитных покрытии, является коэффициент температуропроводности в области высоких температур. Этой величиной во многом определяется процесс твердофазного взаимодействия частиц в многокомпонентной смеси исходных продуктов при формировании конструкционньгх материалов высокотемпературного назначения. В работе показана возможность определения коэффициента температуропроводности и энергии активации в ходе развития локального очага воспламенения бинарной смеси 'П-А1 в режиме теплового взрыва

В состав экспериментального комплекса (рис.4.1) входят: лабораторная печь типа СНОЛ-1 6.2/1 МЗ, в которой установлена ко1ггрольная калиброванная платино- родаевая термопара. Тепло-визионная съемка и регистрация яр-костной температуры быстропроте-

кающей высокотемпературной стадии на поверхности шихты проводится через сквозное отверстие в печной двери с помощью высокоскоростной ТУ-камеры, синхронизированной с цифровой системой сбора термонарных данных через управляющую ЭВМ. Выходные сигналы термопар записываются с помощью запоминающего микропроцессорного двухканалыгого осциллографа С9-8. При этом начальная температура зажигания измеряется контрольной термопарой, а термограмма процесса горения на низкотемпературном участке

Печь А1 Ti-.il

МФД-ТУгамч»

ЖЫЕ\ I '-1

АГГ-.Ы ^ I >ВОЙ

ИН. I ОСЦИЛЛ. А

КОП'паттмг!-. —

Рнс 4.1. Блок-схема экспериментального комплекса для высокоскоростной тепловизионной съемки • процесса воспламенения смеси ТьА!.. "..

"Г 44 Ь и

ш ТГу1 1».

*.С 1 - Л

Ч» л »

, рис.'4.2. ■ .■ :

а).Термограмма низкотемпературного режима теплового взрыва системы ТьА1; б)'Гермограммы горения системы 1Л-А1 ('П-62%, А1-38%) на высокстешературцом участке; в)Кадры тепловизионной съемки процесса роста очага горения . : ■ ;

тою. 4.3.

теплового взрыва регистрируется измерительной термопарой, погруженной в объем реагирующей смеси. Примеры регистрации гермограмм ¡шзкотемпературной и высокотемпературной стадии теплового взрыва, а также кинограмма тепловизионной съемки развития локального очага вос-пламснсния бинарной смеси ТьА1 приведена на рис. 4.2

Способ определения энергии зк-тивации теплового взрыва в кон-

депенрованных средах (патент РФ №2105293), включающий регистрацию изменения температуры смеси реагирующих компонентов во времени, определите по полученным термограммам набора не менее, чем из двух точек, экспериментальной зависимости времени зажигания от начальной температуры зажигания и определение экспериментальных значений энергии активации по формуле Еу = /^ — Т^) 1п(11 — I^), где Т - начальная температура зажигания;

1 - время зажигания; номера пары точек экспериментальной зависимости

1 =Г(Т); И - универсальная газовая постоянная. Способ характеризуется тем, что время зажигашм измеряют между моментом появления второго перегиба на термограмме (рис. 4.3) и моментом достижения смесью реагирующих компонентов заранее заданной начальной температуры зажигания, находящейся в интервале между температурой плавления легкоплавкого компонента и температурой в точке первого перегиба термограммы. При этом среднюю энергию активации определяют но формуле

симости 1 = Г(Т);

Е = 2(К - 2)/М££Еу(1 -5Ц), где N - число точек экспериментальной зави-

симости времени зажигания от начальной температуры зажигания 'Г в интервале температур от точки плавления до точки первого перегиба термограмм; Еу - набор экспериментальных значений энергий активации, рассчитанных

для каждой пары выбранных точек с номерами 1 и j экспериментальной зави-[ 1,при_1 = ] [О, в _ других _ случаях ] На основе анализа кинетики температурных полей, сделан вывод, что по истечении некоторого релаксационного периода фронт горения распространяется с постоянной скоростью, причем соответствующие температурные градиенты также постоянны, следовательно в качестве хорошего приближения можно применить модель стационарного фронта, удовлетворяющую классической задаче Стефана с подвижной границей. Руководствуясь этими соображениям! была получены расчетная формула для определения коэффициента темпера 1уро1 ¡роводности:

■ символ Кронекера.

(Тщах Т0)

где (Тшах - То) - максимальные адиабатические разогревы шихты данного состава и пористости; с!х/ск и сШск измеряются в точке перегиба температурного профиля (рис. 4.4).

г:.....;..........:........

Трафик динспмй регрессия таккиммтп очага горения ог времени

рис. 4.4.

Из приведенной на рис.4.4 динамики движения, скорость теплового фронта равна 1,5 мм/с, а температурный градиент равен 440 К/м. В соответствии с формулой (4.1), оценка величины коэффициента температуропроводно-

сти дает значение а=0,023 см2/е, что удовлетворш-елыю согласуется с данными величинами для Т1А.1з при нормальных условиях.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ СТРУКТУРЫ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИНАМИКИФРОНТА ГОРЕНИЯ СВС

Применение традиционных методов пирометрии не решает проблему измерения яркостной температуры в реагирующих дисперсных средах, потому что на точность измерения яркостной температуры фронта горения СВС смеси

гигрометра

б), в) .

рис.4.5.Методика высокоскоростной яркостной пирометрии фронта горения СВ-синтеза: а) Схема проведения эксперимента по исследовашпо -температурной динамики СВС; б) Фронт СВ-синтеза и-проекция.оптического поля зрешм пирометра; в) Температурная динамика фронта СВ-

синтеза '• , •

дисперсных материалов влияет коэффициент перекрытия оптического поля зрения пирометра в момент прохождения фронта реакции СВС через поле

Методика высокоскоростной яркостной пирометрии фронта горения СВ-синтеза (патент РФ № 2094787) учитывает коэффициент перекрытия дня уточнения измеренной величины яркостной температуры фронта горения СВС смеси дисперсных материалов. Термодинамическая или яркостная темпе-

ратура фронта горения СВС может быть установлена по выходному сигналу фотодатчика с мультипликативной поправкой, обратно пропорциональной коэффициенту перекрытия, который вычисляется по формуле (4.2):

к = ^ = = (4.2)

80 А(1,) А2

Результаты обработки термограмм горегшя смеси №-А1 приведены на рис.4.б. Термограммы а) и в) отражают процесс горения системы №-35%+А1-65% без учета поправки на коэффициент перекрытия и с ним (к=0,92) соответственно. На термограммах б) и г) показан процесса горения системы №-40%+А1-60% без учета поправки на коэффициент перекрытия и с учетом поправки на коэффициент перекрытия (к=0,58) соответственно.

Разработанные методы яркостной пирометрии процессов СВ-синтеза бинарных систем тшта №-А1 позволили выявить следущие новые закономерности температурной динамики фронта горения: 1)обнаружено явление высокоскоростных температурных колебаний в реакционной ячейке с ярко выраженными периодами активного интенсивного тепловыделения и медленного теплоотвода; 2)устаноплено, что постоянные времиш тепловыделения на порядок метине времени теплоотвода и характеризуются величинами порядка 0,5-1 мс и 10-15 мс соответственно. Экспериментальные данные контроля температурной кинетики фронта реакции согласуются с фазовой диаграммой с

Новая методика-'высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования

нтюпсссов СНГ,

№2А1з - 1132°С

точностью не хуже 2%, что легко в основу новой методики дешифрирования термограмм, получешплх методом яркоспюй пирометрии высокого разреше-шга порядка 10°отсчетов в секунду.

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И ТЕПЛОВОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ ФРОНТА ГОРЕНИЯ СВ-СИНТЕЗА

__В экспериментальной установке

(рис.4.7) исследования скорости и тепловой микроструктуры фронта горешм СВ-сшггеза использовалась технологическая оснастка с кварцевым окном, через которое набшода-лось развитие фронта горения СВС, а изображение фронта с' помощью оптической системы стереоскопического микроскопа МБС-9 разделялось на два канала, к одному из которых подключался тепловизор, выполненный на основе ФД-матрицы МФ-14, "ПРИЗ 14/20" (рис.4.8), а к другому - система "ВидеоТест" на основе ПЗС-матрицы.

рис. 4.7;Ввд экспериментальной установки

ОБРАЗЕЦ

ПОЛИ, XPOMA.TOP

МИКРОСКОП

ОПТИЧЕСКАЯ СКАМЬЯ

база данных

xuiepa. фдм

.1) 'J (¡':>t l ll.

ешитгЛ] приз

тмерыгел! Tcwntpa-TvpEI

спектрограммы

карты темперах. полей

термограммы

ЭВМ ЕОШрОЛЛёр

рис.4.8. Блок-схема экспериментальной установки исследования скорости н топовой jffikdoctovktvübi фиоига 1чюсйия СВС

В случае необходимости к первому каналу возможно подключение приборов типа "ЛИСТИК", "СПУРТ" или другой аналогичной аппаратуры Все перечисленные приборы имеют встроешплй канал сипхронизатщи, необходимый для обеспечештя синхронног о срабатывания при совместном использовании приборов; при этом сигнал может вырабатываться шобыМ; из приборов при дос-тижешш задашгых условий, например, при повышении температуры в заданной точке выше програмлшо установленного порога., В качестве экспресс-анализатора температурной картины процесса горешм и активного устройства управления системной пвшой синхронизации предпочтительно использовать "ПРИЗ 14/20".

На рисунке 4.9 приведены результаты тегшовизионной микросъемки, отражающие движение фронта горения СВС в смеси №-А1, дисперсностью 7-

10 мкм. Съемка проводилась ПЗС-камерой УР-12, график щ!етовой калибровки которой приведен на рисунке 4.10. Разрешающая способность составляла 4

рис. 4.9. Дискретная шпфоструктура фролта горения СВС в системе

. N'1/'» 1. у ста тговленная в ходе цифч-ювои тснловизиоешои съедшн

рис. 4.10. График цветовой' калибровки

мкм на шжсел в поле зрения 2000мкмХ2000мкм. Выявлена регулярная дискретность структуры фронта с эффектом локализации теплового очага на фундаментальной длшге Ь=250-300шш.

Скорость фронта горешм определялась по перемещению на изображениях це1пра яркости зоны реакции. Зона реакции состоит из множества микроочагов горения, которые возшлсагот случайным образом в пространстве и времени. Однако скорость фронта реакции в среднем одинаковая, поэтому можно сделать допущение, что количество шжроочагов реакции остается, в среднем, одинаковым во времени, и лишь их коордшмты случайте. Таким образом, энтропию зоны реакции можно считать неизменной и использовать этот критерий в качестве признака эквивалентности зон реакции, в разные моменты времеш!. Анализ положеши цетра яркости зоны реакции (рис. 4.11), ^ ^ проведении"! по результатам тепловизи-

ошгой микросъемки позволил отследить его траекторию во времени, а также изменение скорости реакции и температуры в процессе горения (рис. 4.12).

рПС. 4.11. ).[ВИЖСНИС ЦС1Пра, теплового фронта; .

( г.™« е л- п '"Л " • ; '

а) " " " б) ' " " ' • " " рис. 4.12. а) Траектория центра яркости изображений зоны реавдш СВС; , б) Изменение скорости фронта горениям температуры в процессе . ' реакции СВС

Выявлена хорошая корреляция увеличения скорости фронта горения с ростом температуры локального очага и направлению нормальном фронту. В тангенциальном направлении обнаружены эффекты возрасташш скорости движения теплового центра даже при уменьшении его температуры, что объясняется наблюдаемым "затеканием" фронта реакции в области смежные между соседними высокогаггенсивными локальными очагами горения. Такая ситуация чаще всего наблюдалась при распаде первичного фронта горения на две независимых области.

СПЕКТРАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ В САМОСВЕТЯЩИХСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОТОКАХ

Для исследования температурного распределения частиц порошка в метачлизировашюй струе установки детонащюшго-газового напыления применялись методы редукции интегрального теплового спектра (патент РФ №2107899), позволяющие контролировать температурные параметры частиц в

рис. 4.13. Состав экспериментальной установки спектральной диашо-■ стике температурной) распределения частиц в самосветящихся высоко-• температурных потоках , .

последовательной серии циклов напыления (от одного до восьми циклов). Результаты спектральной и температурной диагностики позволяют исследовать стабильность и воспроизводимость теплового режима непосредственно в процессе напыления в десяти температурных диапазонах от 800 до 2300 °С. В качестве спектрального эталона использовалась вольфрамовая лажа ТРУ-1100.

Схема экспериментальной установки, изображенная на рисунке 4.13, состоит из следующих компонентов: 1 - детонационный импульсный генератор плазменной струи; 3 -экспериментальный бокс, в объем которого производится импульсное напыление; в одном из вырезов - 4 бокса 3 расположен монохро-

матор-2 с анализатором теплового спектра продуктов детонации.

СХЕМА РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛА

Оптическая схема измерения

Компьютер

_________ __

Спектрометр

В основу метода спектральной диагностики температурных распределений положена возможность регистрации суммарного теплового спектра от группы самосветящихся частиц переносимых потоком плазмы через сечение

заданное измерительной апертурой спектроанализатора, использующего многоэлементный линейный фотоприемиик в режиме накопления заряда. Решение

обратной задачи позволяет восстановить температурное распределение частиц, суммарный тепловой спектр от которых был зарегистрирован за время регистрации. В результате исключается необходимость применения статистических методов для получения гистограммы те!»тературного распределения. Отметим , что для получения доюкретиой аппроксимации закона распределения достаточно результатов однократной регистрации суммарного теплового спектра частиц.На рис 4.14 б) приведены экспериментальные результаты прямой задачи измерения температурного спектра З(^) множества разнороднонагрсты частиц в струе низкотемпературной плазмы. Полученные в соответствии с интегральным измерительным уравнешюм и(Я,Т)Г(Т) = 8(>„). Оператор

и(Х,Т) определяется на этапе калибровки по спектру эталонной вольфрамовой лампы ТРУ-1100; диапазон температур 800-2300°С; диапазон длин волн 4001010 нм. На рис 4.14 в) приведены результаты обратной задачи редукции шггегралыюг теплового спектра в распределении частиц по температурам АТ). В соответствии с формулой Г(Т) = (и(?1,Т) + аВ)-18(Л,), где параметр регуляризации а<10'2, оператор В выбирался в виде разностной схемы Эйлера. Средняя температура распределашя частиц, при апроксимац™ законом Гаусса, соответствовала величине 1600°С со среднеквадратичным отклонением 268°С.

Исследование скорости массоперсноса в двухфазных гетерогенных потоках К первым шгтегральпым методам измеряли скорости следует отнести опыты Штерна и Ламмерта по экспериментальному определению максвелловского распределашя молекул по скоростям. Предложенный Ламмертом метод вращающихся дисков до настоящего времени является основным технологическим приемом контроля скорости чаепщ при плазменном напылении материалов. Из всего многообразия методов определения дисперсионного распределения частиц гетерофазных потоков.

наиболее предпочтительны оптические, в этом случае принципиально отсутствует всякое механическое влияшк на изучаемый процесс, а так же возможно применение малого по сравнению с периодом развития потока времен измерения. В большей степени этому отвечают разработанные интегральные методы измерения скорости: A.C. СССР N 1835926 Патент РФ №2147749.

Применяемые методы контроль скорости основаны на оптической

i е i&Öibiii

i? вЯЯшРШ! ШШ ШШ

'Чт......

ИЗ 'lj6 >Я4 II" iJi ffjt

Первый гашл рсг::с-гг,.': г:::;;

121 iee

с 121 ' lü' v.t у:\ bin 73' т i'-л

регистрации теплового излучения порошка, транспортируемого импульсным потоком продуктов детонации. Свечение газа отсекалось ИК-фильтрами. Линейный размер базы измерения транспортной задержки задавался с помощью проекционной телескопической ОС и расстоянием между фотоприемниками. Конгроль скорости ударной волны определяли по характерному импульсу свечения потока частиц и обратным временем задержки на базовом расстоянии, задаваемых оптической системой, превышающего скорость Маха. Контроль средней скорости потока на времяпролетной базе осуществляют определением времени переноса координат центра тяжести яркостной светимости потока частиц через сечения, задающих участок измерили. Контроль средней скорости вдоль длины импульсного потока определяет изменение времени задержки при переносе через анализируемые сечения. Контроль распределения частиц по скоростям вдоль импульсного штока задается измерештсм интенсивности потока, определяемого по интенсивности излучения частиц проходящих через анализируемые сечения к плотности потока на участке измерения, определяемого по интенсивности потока в сечениях задающих участок измерения за время прохождения одинаковых порций вещества. Разработанные времяпролетные методы позволяют контролировать скорость

потока с применением классического корреляционного анализа. Однако проведенные исследования показали не эффективность этого метода, так как нестационарность и турбулентность приводит к несоответствию регистрации в первом и во втором анализируемых сечениях, что не позволяет однозначно интерпретировать их взаимно корреляционные функции.

Применение локальных методов, основанных на доплеровском сдвиге частота (лазерно-доплеровские анемометры (ДЦИС)), несмотря на свою высокую точность в лабораторных условиях, малоэффективны в промышленных масштабах, так как невозможно по результату измерения в локализованном анализируемом объеме дать мгновенно объективную оцсш<у характеристик всего потока в условиях реального процесса. Различная дисперсность порошка и растянутость реального двухфазного потока обуславливает наличие большого разброса скоростей. Применение интегральных методов оценки скоростных характеристик, позволяет контролировать скорость ударной волны, среднюю скорость потока, распределение частиц по скоростям в двухфазном потоке за один цикл установки ДГН, а также получить расходную характеристику дисперснофазного потока в анализируемых сечениях, оценить обобщенную нагрузочную характеристику ДГН потока, что в конечном счете позволяет

к, р, ,

<я И » Й8 о «

# ^ # Ч» ?

опы, .>»3 8

штш г.1-1

V- -X . ■ у .

опьл 11* л у

оптимизировать и паспортизировать технологшо ДГН-папылепия и закладывает основы автоматизации ДГН-процесса в целом.

Используя гидродинамические модели потока для определения скорости частиц через отношения шп'енсивности потока к концентрации частиц, пересекагопдах области анализируемого объема, позволили выявить закономерности распределения скорости вдоль длины факела импульсного потока. Было обнаружено существезшое изменение структуры потока при переходе в сверхзвуковой режим и появление ярко выраженной ударной волны. Движение ударной волны сопровождается высокоскоростной компактной транспортировкой сопутствующей ей. Зависимость интенсивности потока частиц от их концентрации позволили получить обобщенную характеристику транспортного двухфазного потока, приведешюго на рис. Полученное семейство кривых отражает зависимость скорости выноса частиц от массы порошка подаваемого дозатором. Максимальное зпачешю

отражает нагрузочную характеристику струи при стабилизированном режиме холостого хода. Как видно в области сверхзвуковых скоростей превышающих на участке близкому к холостому ходу установки ДТП наблюдается заметный вынос порошковых материалов ударной волной, что открывает технологические возможные режимы "холодного" напыления. Как видно из семейства кривых, этот режим не стабилен и требует совершенствования методов и приборов контроля в локальных зонах импульсного потоках.

Глава 5. СИСТЕМЫ ЭКСПРЕССНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Комплекс технических средств для томографии плазменных струй "Факел-1",

(^шж^шшшшшж^т^шшштшшш^шшштшш.

штредназначен для анализа динамики распределения температурных зон в плазменной струе.

Технические характеристики Диаиозон спектральной чувствительности 04-1,06 мкм; время экспозиции 250 мкс; динамический диапозон при >.=0,663 мкм 7,8* 10' i-4,5*10"'i Вт/см2; чувствительность

преобразования свет-код в одном элементе разложения 2,1 *10"13 ДЖ/бит; скорость обмена с ЭВМ 50 кадров/с. Характеристики определены по результатам испытания комплекса "Факсл-1" при томографии плазмы в составе автоматизированного стенда института теплофизики СО АН СССР.

Линейный измеритель скорости и температуры ИК "ЛИСТ-ИК" Дашый прибор представляет собой двухканальное высокоскоростное цифровое устройство регистрации оптических сигналов на базе лавинных фотодиодов ЛФД-1 и микропроцессорного контроллера. Универсальная оптическая головка обеспечивает работу прибора как в режиме яркостного пирометра за счет возможности применения специальных светофильтров так и в качестве времяпролетного измерителя скорости за счет того, что транспортная задержка определяется временем движештя частиц ДФС между двумя сечениями, задаваемыми телескопической ОС и расстоянием между фотодиодами, снабженными специальной апергурной диафрагмой. Высокоскоростное АНД и быстродействующее ОЗУ

wiw s s

----- ^ I 1

обеспечивают возможность продолжительной регистрации с высоким разрешением по времени. Назначение данного устройства является измерешк скорости ДФС в сверхзвуковых импульсных потоках и исследование температурной динамики

быстропротекающих процессов горения и СВ-синтсза. Отличительными особенностям! прибора являются узконаправленная пеленгационная характеристика не превышающая 60 мкм в поперечном сечении, что обеспечивает возможность ш1рометрии микрообьектов. Встроенный микроконтроллер позволяет синхронизировать процесс измерения с работой других котпролыго-измерительных устройств с задержкой не более 75 мкс. Набор драйверов обеспечивает работу как в автономном программируемом режиме так и работу под управлением внепшей ЭВМ в локальной сети через последовательный интерфейс типа 118-232.

Технические характеристики :

1. Диапазон измеряемых скоростей, м/с__ 0,1-1500;

2. Основная погрешность измерашя на базе 100 мм, %__5;

3. Мощность регистрируемого излучения, мВт/см2_1-50;

4 Частота регистрации, Гц__ 1 -1.000.000;

5. Полное время регистрации (при 1=1МГц), мс_12;

6. Число каналов регистрации ____2;

7. Разрядность ЛЦП каната__ 6;

8. Объем буферного ОЗУ одного канала, Кб __12;

9. Тип интерфейса ___115-232;

10. Режимы синхронизации__внешний, ручной,

автоматический, от ЭВМ;

11. Габариты: а) Камера, мм_360x120x90;

б) БАЦОС, мм_340x296x100;

в) Контроллер МС-2702, мм_236x40x160;

г) Блок питания, мм____74x110x320;

"ЛИСТ-ИК"- представляли на 7-ом Межд. конг. Экспоцешр и ВДНХ СССР

МЕ11А, как совместная разработка ГОСТ стандарта и АлтГТУ. Практическое применение в АНЦПТ, "АО Сиб'пергомаш", ГКНЦ "Прометей"

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ГШРОМЕТР-ТЕПЛОВИЗОР "ПРИЗ 14-20"

Пирометр разработан на базе малоформатной шггегралыюй МДП-ФД матрицы МФ-14

(ФПУ1) и

микропроцессорного контроллера К1-20,

Предназначен для работы в составе со стандартны ми оптическими ИОП-66, ЛОП-71, для

прецензеонного измерения температур яркостной пирометрии.

Достоинством данного устройства является возможность одновременного измерения температура в 1024 точках с разрешающей способностью 100x100 мкм. Использование датчика в режиме накопления заряда позволяет гибко управлять чувствительностью пирометра и его быстродействием, максимальная скорость опроса матрицы 1мс/кадр. Функционально "ПРИЗ 14-20" представляет собой малоформатную цифровую камеру с программно-управляемым сбором сканирования с встроенной КЭШ-памятью обеспечивающую запись 8-ми последовательных кадров со скоростью 10* кадр/с. Пирометр может работать в ждущем режиме что обеспечивает запись однократных быстропротекагощих процессов, отчего имеет возможность синхронизации как от внешнего устройства так и любой программно задаваемой фоточувствотелыюй ячейки. Внутренний монитор и разработанный набор драйверов обеспечивает работу как в автономном, так и в удаленном режиме "on-line" режиме через последовательный интерфейс TimaRS-232

Технические характеристики:

1. Диапазон измеряемых температу р,°С_800-10000;

2. Основная погрешность, %_0,2-3;

3. Число элементов изображения__ 1024(32x32);

4. Число различимых градаций яркости_256;

5. Минимальный размер объекта, мм_1.5x1.5;

6. Эффективные длины волн, мкм____ 0.65; 0.8; 1.0;

7. Скорость считывания информации, мке/ ячейку_1;

8. Линейность преобразования сигнала, %_1;

9. Быстродействие не менее, мс_20;

10. Время регистрации одного кадра, мс_1;

11. Минимальное время экспозиции, мке_32;

12. Максимальное время экспозиции, мс___20;

13. Динамически! диапазон, лк: при t3Kcn=100MKC______ 1 - 1000;

при 1эКСП-20мс____ 0,002

14. Спектральный диапазон чувствите:шности, нм_350 -1010;

15. Разрешающая способность по координате с оптической системой ЭОП-66 не

более, мкм_300;

Габариты, мм: 1) камера_ 120x65x65;

2) микропроцессорный блок_48Ux350xl70;

3) оптико-механическая система_235x400x700.

Характеристики определены по результатам метрологических испытаний на

Харьковском опытно-экспериментальном заводе "Эталон" НПО "Метрология", а также в ходе метрологических испытаний на АО Т "Сибэнергомаш". Области применения установки: газо-термической обработки дисперсных материалов; металлургия; машиностроение; сварка; научные исследования и поверочная практика.

"ПРИЗ 14-20" представлялся на M1RO-91, МОТОМ-90, имеет диплом Выставки научно-технических разработок Poccim и предприятий Алтайского края РНТВ-95.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной задачей проведениях исследований является решение научной проблемы создания методов экспрессного контроля состояния ДФС, непосредственно в ходе быслропротекающих высокотемпературных процессов. Эта цель имеет важное научное и прикладное значение для создания базовых компьютеризированных систем контроля в совремешп.к высоких технологиях порошковой металлургии, плазменной обработки материалов и напыления защитных покрытий. Практическое использование результатов исследования существенно сокращает затраты времени на поиск и оптимизацию основных температурно-скоростных параметров технологических режимов, обеспечивает контроль их стабильности в процессах высокотемпературного синтеза дисперсных материалов, открывает возможность прямого трансфера плазмоструйных технологий с опытно-экспериментального оборудования на высокопроизводительные промышленные установки.

К отличителыпщ особешюстям представленных методов контроля относится то, что они в результате одного цикла измерений дают возможность получить интегральную оценку закона распределения частиц дисперсной среды относительно контролируемого параметра, исключая необходимость применения традиционного статистического анализа Необходимо отметить, что при этом естественным образом сохраняются все преимущества свойственные оптическим методам неразрушающего контроля, такие как бесконтактность, высокое быстродействие и чувствительность.

Основные результаты н выводы работы состоят в следующем:

1. Проведен анализ известных решений задач интегрального котггроля ДФС в высокотемпературных процессах синтеза материалов и показано, что этот подход может быть успешно обобщен на решение проблемы контроля других теплофизических параметров, в первую очередь температуры и скорости.

2. Сформулированы и теоретически обоснованы общие принципы аппаратной реализации интегральных методов диагностики на базе спектральных и проекционных оптических систем, обеспечивающих восстановление функции распределения контролируемого физического параметра на множестве дисперсных частиц. Для этого достаточно выполнения следующих условий:

возможность сканирования измерительного объема с дпсиерснофазной средой или использования ее естественного свойства к самосканировашпо за счет движения неподвижного фотоприемшпеа (это обеспечивает регистрацию оптического сигнала от полного ансамбля частиц и его пространственную или временную свертку с аппаратной функцией измерительной системы) - условие пространствешгого интегрировашм;

требуется применение датчика с функциональной способностью линейно накапливать и интегрировать на светочувствительном элементе сигналы последовательно возникающие от частиц попавших в измерительный объем -условие временного итерирования;

-требуется наличие известной закономерной связи между величиной коотролируемош параметра и характеристикой регистрируемого излучения или наличие достаточного набора эталонных объектов, у которых наблюдается такая устойчивая зависимость - условие физической определешгоста задачи.

3. Созданы основы теории расчета "качества" приборов ИМК:

- выбрана базовая архитектура измерительно-вычислителыых приборов с интегрирующим фотонриемником:

- рассмотрено несколько вариантов применения алгоритмов редукцшт £гнтегральных законов распределения параметров ДФС, в зависимости от степени недоопределешюсти физической задачи измерили и шума входных данных;

- проведен аншгиз влияния шумов твердотельных фотоматриц, в зависимости от способа выделения сигнала;

4. Впервые сформулирована физическая постановка задачи редукции температурного распределеши разнородно гкиретых частиц по их интегральному тепловому спектру и разработан способ ее реализации . Установлено, что она относится к хорошо обусловленным задачам по Тихонову, допускающим процедуру прямого обращения при уровне приведенных ко входу шумов фотоприемника ДIV < кАТ, где Д Т- разрешающая способность по температуре, если регистрирующий излучение спектрофотометр будет тарирован но эталонным источникам теплового излучеши в соответствии с законом смещения Вина:

||Лтш1^гоах ~~ Лпах^тш | - & ' ОПРОДСЛЯЮЩИМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ МеТОДа.

5. Разработаны методы время-пролетного определения интегральных скоростных характеристик частиц в двухфазных нестационарных потоках. Задача диагностики скоростных характеристик частиц ДФС в нестационарных импульсных потоках может относится как к хорошо обусловленным обратным задачам, в простейших гидродинамических моделях, реализующих времяпролетпый метод, так и к умеренно некорректным задачам, сводящихся к решению известных задач томографии самосканирующегоса объекта, движущегося относительно многоракурсной оптической регистрирующей системы. При этом, кроме прямых

методов обращения возникает необходимость с усредненными или отфильтрованными результатам! измерений.

6. Разработан метод яркостной микропирометрии фронта горения реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, учитывающий неполное перекрытие поля зрения яркостпого пирометра в ДФС. Его применение позволяет не только учитывать поправку на коэффициент перекрытия, но и отбраковывать термограммы с заведомо недостоверными данными.

7. Разработан метод измерения яркостной температуры объектов много-элементными твердотельными фотоприемниками с накопления заряда, позволяющий производить регистрацию теплового излучения и его измерение в режиме разделения времени, за счет чего повышается быстродействие пирометра и появляется возможность его рекалибровки в любой удобный момент времени.

8. Разработан способ определения энергии акпшации теплового взрыва в конденсированных средах, основанный на объективном контроле величины времени зажигания, так интервале между моментом появления второго перегиба на высокотемпературном участке термограммы быстродействующего яркостпого пирометра и моментом когда ДФС достигла начальной температуры в диапазоне между точкой плавления легкоплавкого компонента и точкой первого перегиба

9. Проведены экспериментальные исследования закономерностей интегральных параметров температуры и скорости быстропротекаюпо« процессов, в результате которых впервые было установлено: существование тонкой тепловой структуры и высокочастотных колебаний температуры в зоне фронта горения бинарных систем типа №-А1, что может иметь большое значение дня выяснения механизмов и режимов получеши целевых продуктов СВ-синтеза; в импульсной детонационном детонационной струе наблюдается эффект появления аномально высоких скоростей в компактной группе частиц, сопутствующих ударной волне, что при относительно низкой температуре ДФС , может служить основой для режимов "холодного" напыления; в процессах распыления дизельного топлива обнаружен переход форсунки в неблагоприятный для смесеобразования режим "подвпрыска" и снижения расходной характеристики топливной струи, изучение этого явления позволяет оптимизировать в дальнейшем работу топливной аппаратуры, повысить полноту сгорагам и улучшить экологические показатели дизельных двигателей

Техническая новизна полученных результатов подтверждена шестью авторскими свидетельствами и решениями о выдаче патентов на изобретение новых способов контроля и измерения указанных технологических параметров дисперснофазных систем.

В дальнейшем, по мере возрастания требований к контрольно-измерительной и диагностической аппаратуре, особенно в оптических методах контроля, будет требоваться расширенное использование результатов полученных в диссертации. Это определяется тем, что желание иметь надежную информацию об исследуемом явлении, изучение "редких" и "слабых" эффектов приводит к необходимости многократного повторения едишиного эксперимента, а автоматизация проведения процедуры интегрального контроля методами решения обратных задач позволяет получать за короткое время, с заранее известной точностью, оценки распределения интересующего параметра за один цикл измерения путем обработки результатов

регистрации усредненных оптических характеристик от десятков и сотен тысяч частиц, наблюдаемых в анализируемом объеме.

Обеспечить такой мегод контроля, во всей его полноте, может только применение современных твердотельных приемников изображения, работающих в режиме накопления заряда и ирецизионно осуществляющих на аналоговом уровне непрерывное щггегрирование входного сигнала. Предпосылкой к дальнейшему развитию представленного направления в контрольно-измерительной технике служат появившиеся в последнее время образцы разработок таких многофункциональных типов фотоприемников, как: твердотельные кремниевые полихроматоры с многослойными интерференционно-поляризационными пленочными покрытиями, позволяющие повысить чувствительность при регистрации теплового спектра на два порядка и отказаться от громоздких оптико-механических дисперсионных устройств; высокочувствительные ПЗС-матрицы с лавинным фотоумножением; МДП-фотодиодные структуры с программно управляемым законом сканирования; неохлаждаемые пленочные фоторезистивные матрицы длиноволнового ИК-диапазона. Все ото, наряду с очевидной актуальностью задач технологического контроля в быстропротекающих высокотемпературных процессах, показывает па необходимость применения полученных в работе результатов при дальнейшем конструктивном совершенствовании приборов и методов оптической экспресс-диагностики.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гарколь Д.А., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Мухачев A.B. Новая методика высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования процессов СВС // Физика горения и взрыва-1994 - 30, № 1,- С.72-77. То же в: Garkol D.A., Gulyayev P.Yu., Evsligneyev V.V., Mukhachev A.B. A new procedure of high-rate brightness pyromelry for studying the SI IS processes // Combustion, Explosion and Shock Waves, 1994, v.30,Nl.- p. 72-78.

2. Гуляев П.Ю., Евстигнеев B.B., Филимонов В.Ю. Температуропроводность реагирующих сред И Перспективные магериалы.- 1999,- №2.-С. 73-77. То же в: Gulyayev P.Yu., Evstigneyev V.V., Philimonov V. Yu. The Temperature Conductivity of the Reacting Mediums // J. of Advantage Materials, 1999, v. 5, N 2,- p. 89-94.

3. Свистула A.E, Матиевский Д.Д., Гуляев ILIO., Еськов A.B. Экспериментальное исследование характеристик топливных струй дизельных форсунок И Двигателсстроение,- 1999,- №1.- С.29-31.

4. Automated Tomograf for Studying Plasma Jets / T.S.Melnikova, O.P.Solonenko, A.M.Tsibirov, P.Yu.Gulyaev, A.G.Zavarzin, A.V.Likhachev // Plasma Jets in the Development of New Materials Technology. Utrecht: VSP, 1990. P. 133-148.

5. Гуляев ILK). Методика учета влияния температурной динамики среда на результаты измерений // В кн. : Научно-технический сборник по геодезии, аэрокосмичсским съемкам и картографии.- М.: ЦНИГАиК, 1996.-С.78-83.

6. Госьков П.И., Галиулин P.M., Гуляев П.Ю., Кругляков C.B. Преобразование динамических оптических полей интегральными МДП-фотодиодными матрицами в режиме прямого детектироваштя сигнала И Изв. ВУЗов СССР, серия "Физика",- 1981,- №3, per. N279-81,- 17 с.

7. Госьков П.И., Якунин А.Г., Гуляев П.Ю., Царегородцев М.А. Применение нетииового включения фотоднодной матрицы в телевизионных системах. // Техника кино и телевидения,- 1987,- № б,- С. 32-34.

8. Госьков П.И., Гуляев П.Ю., Якунин А.Г. Универсальный преобразователь изображений ПИУ-2 //Приборы и техника эксперимента.-1987- N 3.- С. 91.

9. Госьков П.Р1., Гуляев П.Ю., Цибиров А.М., Коротких В.М. Комплекс технических средств регистрации излучения плазмы "Факел-1" // Приборы и техшпса эксперимента,- 1989,- № 5,- С. 12.

10. Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П., Минекес Р.Э. Инерционное влияние внешней среды на результаты измерений и принципы его учета // Геодезия и картография,- 1996.-№ з,- С. 27-29.

П.Гуляев П.Ю., Гончаров В.Д., Коротких В.М., Кротов А.11. Фотометрия дисперсных гетерогенных взвесей в процессе аэращш воды // Обской вестник.-1996,-№2-3.-С. 76-82.

12. Гуляев П.Ю. Оптическая диагностика процессов горения и взрыва в порошковой металлургии // Вестник АлтГТУ им. И.И.Ползунова,- 1998,- № 1,- С. 33-36.

13. Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П., Долматов A.B. Байесовское восстановление цвета цифровых изображегатй // Вестник СГТА,- Новосибирск, Вьтп № 2, 1997 - С. 114115.

14. Гуляев П.Ю., Демьянов В.В., Таньков A.B. Устойчивость задачи определения истанной температуры разнороднонагретых частиц в плазменных струях // Ползуновский альманах,- 1998,-№ 1.- С. 38-39.

15. Гуляев П.Ю. , Евстигнеев В.В. ,Фияимонов В.Ю. , Коротких В.М. Тешюфизические характеристики сганеза аллююшидов титана в режиме теплового взрыва// Вестник АлтГТУ им.И.И.Ползунова.-1999.-№2.-С. 24-27.

16. Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Краснощеков C.B., Филимонов ВЛО., Тубалов Н.П. Расчет нижнего предела воспламенсшга плотной совокупности частиц, окисляющихся по степенному закону // Вестник АлтГТУ им. И.И.Ползунова,-1999,- №2.- С.32-35.

17. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Карпов И.Е., Еськов A.B. Ошибка восстановления функции распределения частиц по размерам в методе малых углов // Вестник АлтГТУ им.И.НПолзунова.-1999.-№2 .-С.57-58.

18. Гуляев П.Ю., Коротких В.М., Еськов A.B., Карпов И.Е. Функция распределения час-nui, по размерам для определения степени искажения оптического сигнала ТВ-диагностики // Вестник АлтГТУ им. И.И. Ползунова.-1999,- №2 .- С. 59-60.

19. Полторыхин М.В., Гуляев П.Ю., Морозов С.Г1. АРУ фотодиодных датчиков при измерении скорости дисперсных потоков времяпролетным методом // Вестник Алт ГТУ им.И.И.Ползунова. -1999,- № 2 .- С.79-80.

20. Полторыхин М.В., Гуляев Г1.Ю. Обобщештя схема стабилизации режима и система автоматтиеского управления в режиме низкотемпературного нагалления //Вестник АлтГТУ им.И.И. Ползунова.-1999,- №2 .- С.81-82.

21. Гуляев П.Ю., Шарлаев Е.В., Яковлев В.И. Математическая модель распространения волн в процессах детонациошгого нанесения покрытий // Вестник АлтГТУ им.И.И. Ползунова .- 1999.-№ 2 .- С. 36-37.

22. Евстигнеев В.В., Гуляев П.Ю., Шарлаев Е.В. Регистрация скоросп конденсированной фазы импульсных струй // Ползуновский альманах.- 2000,- М

2,- С. 42-45.

23. Евстигнеев В.В., Гуляев П.Ю., Шарлаев Е.В. Экспресс-анализ скоростей частиг на стенде дегонационно-газового упрочнения поверхности // Ползуновскга альманах.- 2000.- № 2,- С. 46-48.

24. Евстигнеев В.В., Вольпе Б.М., Гарколь ДА., Гуляев П.Ю., Мухачев А.Б Применение высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования СБ синтеза в системе Ni-Al // Труды Алт. гос. тех. ун-та им. И.И.Плозунова. Вып

3,-Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1994,- С.4-12.

25. Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Курбатов Д.Ю. Корреляционный измеригещ линейной скорости и температуры в газотермических и СВС-процесса* "ЛИСТИК" // Проблемы промышленных СВС-технологий: Труды Междуиар. научпо-техн. конф..- Барнаул: Изд-во АлтГТУ,1994.- С. 5-11

26. Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Курбатов Д.Ю. Аппаратные методы контроля температурно-скоростных параметров в газотермических и СВС-технологиях получения композиционных материалов II Проблемы промышленных СВС-технологий: Труды Междунар. науч.-техн. конф,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ,1994,-С. 11-18.

27. Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Курбатов Д.Ю. Исследование тепло- и массопереноса цифровыми телевизионными системами с использованием синтезированных апертур // Проблемы промышленных СВС-технологий: Труды Междунар. науч.-техн. конф..-Барнаул: Изд-во АггГТУ,1994.- С. 18-28

28. Гуляев П.Ю., Гумиров М.А. Метод повышения точности измерения теьшературы фронта горения в процессах СВС. // Ползуновские чтения. Сборник научных трудов,-Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997.- С. 76-78.

29. Гуляев П.Ю., Еськов A.B., Матиевсьаш Д.Д., Свистула А.Е. Методика оптической экспресс-диагностики испытания дизельных распылителей // В сб: СоБсршсннствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Матер. VI Междунар. научно-практ. семинара / Под ред.В.В.Эфроса, Влад. гос. ун-т, Владимир,- 1997.-е. 19-22.

30. Гуляев Н.Ю., Тищенко А.И., Яковлев В.И., Антонов С.М., Хлутчип М.Ю. Оптимизация режимов двухфазного потока при детонационном восстановлении и упрочнении деталей // В сб.: Современные технологии в машиностроении: Матер, науч.-техн. конф.- Пенза: Из-во Приволж. Дом знаний, 1998,- С. 72-77.

31. Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Тищенко А.И., Яковлев В.И., Антонов С.М Метода оптической диагностики для разработки ресурсосберегающих СВС-технологий // В сб.: Совремешдле технологии в машиностроении: Матер, науч.-техн. конфер,-Пенза: Из-во Приволж. Дом знаний, 1998,- С. 148-151.

32. Евстигнеев В.В.Гуляев П.Ю.,Рябов С.П.Драснощеков С.В.ДЪлторыхшг М.В. Метод тегтовизионных измерений процессов СВС в дисперсных средах Н Механика летательных аппаратов и современные материалы: Сб. избр. докл. VI Всеросс. научи.-техн. конф./Под ред. К.О. Сабденова.-Томск:Из-во Том. ун-та, 1999.-Вьш.№ 2.- С.71-72.(0,18 печ. лист.)

33. Евстигнеев В.В., Гуляев П.Ю., Еськов A.B., Карпов И.Е. Определение качества распыления жидкости // Механика летательных аппаратов и современные материалы: Сб. избр. докл. VI Вссросс. научн.-техн. конф./ Под ред. К.О. Сабденова .- Томск: Из-во Том. ун-та, 1999,- Вып.Ма 2.-С.94-95. (0,18 печ. лист.)

34. Гуляев II.Ю., Гумиров МЛ., Филимонов B.IO. Экспериментально-анатитичсская методика определения кинетических параметров реакционной диффузии бинарных систем // Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред. Том 4. "Гидродинамика структурно-неоднородных сред": Труды Всерос. паучно-техн. конф.- Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та, 1996 .-С. 105-116.

35. Evstigneev V.V., Guliaev P.Yu., Yakovlev V.l., Aziz Z.G. High Temperature Synthesis in plasma - promising method to obtain new materials // Abstr. of the V-tli Russian-Chinese International Symposium Advanced Materials and Processes ( AMP'99).-Baikalsk, 1999,- p. 207-208.

36. Гуляев П.ТО, Гумиров M.A. Статистические методы микропиромечрии дисперсных чаешц в газоплазменных потоках // "Всесибирские чтения по математике и мехшшке". Том 2. Механика: Тезисы докл. Междунар. конф. / Под ред В.И.Зш1ченко, И.Б.Богопяда, А.М.Гриптит - Томск: Из-зо Том.ун-та, 1997, -С. 49-50.

37. Гуляев ILIO. Методы решения некорректных обратных задач оптической диагностики струйных дисперсных систем // "Всесибирские чтения по математике и механике". Том 2. Механика: Тезисы докл. Междунар. конф. / Под ред. В.И.Зинчепко. И.Б.Богоряда. A.M.Гришина. - Томск: Из-во Том.ун-та, 1997, -С. 139.

38. Тшценко А.И., Агапов М.Н., Шамашсв А.Ю., Гуляев П.Ю. Использование модели E-слоя при разработке двухкоордипатных оптикоэлектронных первичных преобразователей // Методы и средства измерешш физических величин: Сб. тез. докл. Всерос. науч.-технич. конференции .- Нижн.Новгород, 1997, Ч.2.- С. 33-35.

39. Гуляев Ю.П., Гуляев П.Ю., Долматов A.B., Ротанова И.Н. Результаты и перспективы дешифрирования цифровых изображешгй байесовским методом // Современные проблемы геодезии и оптики : Сб. докл. Междунар. научн.-технич. конф,- Новосибирск, 1998,-С. 146.

40. Гуляев П.Ю. Информациошо-знтропийные кртерии разработки тепловизиозшых диагностических систем для порошковой металлургии II В сб.: Биоэнергоинформатика, т. 2,-Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998,-С.76-81.

41. Цибиров A.M., Гуляев П.Ю., Зверев А.И. Способ определения скоростных характеристик компонент высокотемпературных гетерогенных потоков,- A.C. N 1835926 Al, G 01 Р5/18, зарегистр 13.10.92,приоритет от 05.02.90, заявка № 4816312/10( ДСП).

42. Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Евстигнеев 13.В. Способ измерения температуры фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов. Патент РФ № 2094787 на изобретение по заявке № 96113415/25 (019337), G 01 N25/28, G01 J 5/12, приоритет от 01.07.96,- опубл. 27.10.97 в Бюл.И. №30.

43. Коротких В.М., Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Еськов A.B., Евстигнеев В.В. Способ измерения яркостной температуры объекта. Патент РФ № 2099674 на

изобретение по заявке № 96113418/25 (019338), О 01 I 5/52, приоритет от 01.07.96.- опубл. 20.12.97 в Бюл.И. № 35.

44. Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Иордан В.И., Танысов А.В. Способ определения температуры частиц конденсированной фазы движущихся гетерогешгых объектов. Патент РФ № 2107899 на изобретение по заявке № 96120480 (026800), О 0113/30, С 01 К 13/04, приоритет от 07.10.96,- опубл. 27.03.98 в Бюл.И. № 9.

45. Филимонов В.Ю., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В. Способ определашя энергии активации теплового взрыва в конденсированиях средах. Патент РФ № 2105293 на изобретение по заявке № 96114496/25 (020406), 001 N25/50,приоритет от 16.07.96.- опубл.20.02.98 в Бюл.И.№ 5.

46. Евстигнеев В.В., Гуляев П.Ю., Еськов А.В. Способ определения скорости импульсного аэродисперсного потока. Патент РФ № 2147749 на изобретение по заявке № 98105869/28 (005678), й 01 Р 5/18, приоритет от 23.03.98,- опубл. 20.04.2000 в Бюл.И. № 11.

Гуляев Павел Юрьевич

ОСНОВЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДИСПЕРСНОФАЗНЫХ СРЕД В ПРОЦЕССАХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА МАТЕРИАЛОВ

Подгшсано в печать 16.11.2000. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Тираж 100 экз. Заказ 111/2000

Издательство Алтайского государственного т ехнического университета им И И. Погоунова, 656099, г. Барнаул пр-т Ленина, 46

Лицензия на издательскую деятельность ЛР 020822 от 21.09.98 года

Лицензия на гюлиграфическую деятельность ПЛД№ 28-35 от 15 07.97

Отпечатано в ЦОП Алтайского государственного технического унивсрсигста им. И.И. Ползунова, 656099, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Оглавление автор диссертации — доктор технических наук Гуляев, Павел Юрьевич

Введение 2000 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Гуляев, Павел Юрьевич

Заключение диссертация на тему "Основы интегральных методов оптической диагностики дисперснофазных сред в процессах высокотемпературного синтеза материалов"

БиблиографияГуляев, Павел Юрьевич, диссертация по теме "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий"