автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация управления технологическим процессом определения прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения на основе микропроцессорной системы

уЪ ^ , ц Ц«

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО II ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 631.4.002.554

ТЮПИН ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛНОГО ВЛАГОНАСЫЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

05. 13. 07-Автоматизации технологических процессов и производств (в промышленности)

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических паук

Курск 1998

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете

Научные руководители:

Официальные оппоненты

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Котельников В.Я.

доктор технических наук, профессор Титов B.C.

доктор технических наук, профессо{ Дрейзин В.Э.

кандидат технических наук, доцент Локтионов А.П.

Государственная зональная Центрально-Черноземна машиноиспытательная станци

Защита диссертация состоится « 1998 г. в часов I

заседании диссертационного совета К064.50.01 при Курском государственно техническом университете по адресу: 305040 г. Курск, ул. 50 лет Октября, д.9

ауд. Г - 203

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направля ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан « /У* 1998г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Диагностика и . оценка гидроаэродинамической прочности полндисперсных материалов имеет важное научно-практическое значение. Вместе с тем, большинство используемых приборов и способов для контроля и определения физико-механических свойств почво-грунтов и их гидродинамической прочности под воздействием потоков воды или других энергоносителей все еще несовершенны и требуют своего улучшения и развития, особенно в части автоматизации управления сбора и обработки исходной информации о закономерностях изучаемых процессов.

Устарели также способы измерения внутренних сил, удерживающих частицы влажного грунта и почвы, наносов в водных потоках, уровней прочности пластов грунтовых вод, контроля состояния гидротехнических сооружений, методы масштабной оценки и съемки прочности поверхности земли. Устарели не только методы, но и приборы, используемые в почвенных, агрометеорологических и инженерно-геологических исследованиях и изысканиях.

Между тем развитие электроники, технической физики, биофизики и естествознания привело к появлению новых быстрых и точных методов натуральных измерении влажности, плотности, динамической устойчивости почво-грунтоп. растворов и других полндисперсных сред по воздействиям потоков воды, воздуха и других энергоносителей. Известны механические, нейтронные, радиометрические приборы и методы контроля. Часть из них успешно используется и внедряется п практику полевых и научно-исследовательских изыскательских работ. Однако они не дают полной информации при большом статистическом обобщении материала в силу неадскваиюсш условии проведения опытов. Эш недостатки могут быть устранены при использовании быстродействующих микропроцессорных систем и ПЭВМ.

Способы и техника автоматизации технологического процесса оценки гидродинамической прочности, уменьшение погрешностей и расширение нч методологической возможности, а также конструкции прибороп постоянно совершенствуются и им поспяшсн целый ряд исследований в нашей стране и за Р)бежом. Значительный вклад в теорию и практику исследований в эюм направлении внесли Апенберг, Тсриаги. Г.И. Покровский, А.Ф. Лебеде:., П.А. Ребпндер. II.У. Бамии, A.M. Васильев, Рао, Сил, B.II. Рутковский, В.П. Внхарсв, II.М. Орнагский и другие. Бурное развитие электронной промышленности и науки в области электронно-вычнелнгелтон техники раскрывают более широкие возможности познания и раскрытия закономерностей, происходящих в гидродинамических и аэродинамических системах взаимодействия с полндиспсрснымн материалами. Широкое применение электроники в автоматизации технологических процессов при определении физико-механических н гидродинамических свойств среды сдерживается отсутствием достаточного количества исследований в этом направлении, что ставит в качестве неотложной и актуальной проблему создания методов и средств автоматизации диагностики и контроля прочности материалов с применением электронно-вычислительной техники. Этому и посвящена настоящая работа.

Цель и t.ii:i4n нселсдоппнии. Целью диссертационной работы является создание ав10м..1!пнрованной системы управления технологическим процессом определения

прочности пол1Шисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения для работы в реальном времени.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить анализ и дать классификацию методов и аппаратуры для исследования прочности полидисперсных материалов и автоматизации рабочих процессов путем управления гидродинамическими параметрами их разрушения:

2) разработать аналитическую модель гидродинамического и электронного микропроцессорного устройства автоматизации технологического процесса контроля и обработки информации поступающей в ПЭВМ;

3) обосновать схемотехнические и параметрические модели снижения влияния источников погрешности при определении прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения;

4) разработать инженерную методику расчета размерных и режимных параметров автоматизированной системы управления технологическим процессом контроля и управления оценки гидродинамической прочности материалов;

5) выполнить экспериментальную проверку и дать оценку адекватносп механико-математической модели с результатами эксперимента.

Методы исследования. В работе использованы гидродинамическая теория теория автоматического управления, графоаналитический метод исследования геометрическое и гидродинамическое моделирование рабочего процесса и исследовашк закономерностей, раскрывающих физические явления в системе контроля динамическо! прочности материалов.

Научная иовизна.

обоснован метод оценки прочности полидисперсных материалов ! условиях полного влагонасыщения;

разработана детерминированная математическая модель определени прочности полидисперсных материалов, раскрывающая закономерности автоматизаци: технологического процесса и получения исходной информации;

проведен анализ погрешностей преобразования давления в цифрово значение на входе ПЭВМ и на его основе получена математическая модел! позволяющая оценить достоверность результатов определения прочност пол »дисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения;

получена инженерная методика расчета и проектирования размерных режимных параметров устройства для автоматизации оценки прочност гюлкднсперсных сред;

На запит- выносятся:

1) Автоматизированный метод определения прочности полиднспсрсни материалов в условиях полного влагонасыщения;

2) Математическая модель автоматизации технологическо)

микропроцессорного контроля разрушения полидисперсных материалов ■, ндродниамических системах.

3) Теоретическое и экспериментальное обоснование размерных и режимш. параметров силового и электронного устройства для автоматизированной ди: гностш полидисперсных материалов. »

4) Инженерная методика графоаналитического расчета установки :и;г.араг>ры для гидродинамических испытании материалов на прочность на осно

микропроцессорной автоматизированной системы управления рабочим процессом и их конструкция.

Обоснованность и достоверность полученных выводов, научных и практических результатов исследования:

[.Согласованность теоретических и экспериментальных результатов работы подтверждаются аналитическими исследованиями гидродинамического процесса взаимодействия энергоносителя с полидисперсными материалами, его математическими моделями, лабораторными экспериментами на макетных установках и образцах.

2.Выводы и рекомендации базируются на законах и закономерностях теоретической физики полупроводников, электронных и микропроцессорных систем, статистической динамики, теории подобия и др.

Практическая значимость работы. Итоги исследований позволяют предложить научно-исследовательским, проектно-конструкторским организациям электронного приборостроения методику графоаналитического расчета и конструкцию установки для автоматизации управления .технологическим процессом разрушения полндисперсных материалов в условиях полного влагонасищсния на основе микропроцессорной системы.

Реализация резу.и.татоп исследования. Результаты исследований внедрены на АО «')леватомельмаш» при разработке технологических комплексов скоростных машин и испольювапм в учебном процессе Курского государственного технического ужшерептега на кафедре ИТ по курсу «Измерительная техника». Получен патент на устройство № 2099682, бюлл. № 35. 1997г.

Анробанни. Основные результаты и положения доложены н одобрены на научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем шмсрсния, контроля и управления» - Москва МПГ)М. I997, на Международной конференции «Новые информационные технологии и снс1смм» Пени. 1994, 199(>, на Международной конференции «Онтико-ллекгроиные приборы н устронетл » системах распошанання образов обработки изображения и символьной информации» - Курск, 1993, на Международной конференции «Материалы и управляющие технологии» - Курск, 1994, на Региональной конференции «контроль технологий, тделий, окружающей среды фншческимн методами» - Оренбург. 1996, на семинарах кафедр «Теоретической механики и ТММ» и «ВТ» Курского государе 1 венного технического университета 1993 - 1998гт.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 3 работ, В том числе одна аатья, шесть тезисов докладов, один патент.

ОГи.см н сгрукчура дпссср|ац|щ. Работа состоит нз введения, IV глав, общих выполов и рекомендаций, списка литературы. Работа изложена нз 122 страницах машинописного текста, в том числе 8 таблиц, 27 рисунков и I приложение. Список литературы включает 104 наимсноваши.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Глава 1. Научно-производственные предпосылки совершенствования методов и средств контроля динамической прочности полидисперспых материалов и условиях полного влагоиасышенин

В этон главе дается анализ состояния проблемы, способов и устройств для определения прочности полидисперспых сред, методов и техники проведенных испытаний. Систематизированы основные направления и перспективы развития создания аппаратуры и методики оценки гидродинамической прочности материалов под воздействием жидкости. Это позволило синтезировать основные требования, удовлетворяющие методике и технике проведения опытов, определить и сформулировать цель и задачи исследования. Анализ литературных источников по физике и физико-механическим свойствам почво-грунтов в условиях полного влагонасыщения указывает на резкое изменение прочности связи частиц, что не позволяет современными средствами контроля проводить диагностику разрушения образцов под воздействием энергоносителя. Однако использование быстродействующей измерительной электронной аппаратуры для получения и обработки текущей информации о происходящих внутренних процессах в динамических системах, дают и раскрывают новые возможности методики и практики определения прочности полидисперсных материалов. Это послужило основанием для разработки и выполнения темы исследования, позволило создать эффективную установку для автоматизации технологического процесса определения прочности полидисперсных материалов.

Глава 2. Теоретическое обоснование И синтез параметров микропроцессорной системы диагностик» полидисперсных материалов

Особенностью сложившегося в настоящее время положения в области технических средств контроля и автоматического управления является то, что средства обработки исходных данных по техническому уровню опережает средства получения первичной информации. Если средства обработки информации имеют в своем арсенале вычислительные машины четвертого поколения, микропроцессорные системы, многофункциональные интегральные аналоговые и дискретные элементы с широкой возможностью их синтеза, то преобразователи, датчики физико-механических величин не соответствуют в полной мере этим возможностям электронно-вычислительных систем. В этой связи возникает необходимость создания в каждом конкретном случае таких технических средств контроля, которые могли бы давать необходимую информацию о закономерностях изучаемого процесса. Такой подход к 'тпеоора!ОЕлтелям динамических параметров механических систем гарантирует их . . : -рнмо эффективность и точность, но требует разработку методов и идеологию : осгроення конструктивных схем, обеспечивающие варьирование параметрам и самой конструкцией преобразователей. Эти предпосылки положены в основу синтеза параметров выбора и создания электронно-механической системы предлагаемого . с тройства. В итоге дано обоснование и выбор электронных преобразователей давления, "'„•делены перспективы струнных и емкостных преобразователей, пьезоэлектрических.

пьезорезисторных, индуктивных, ферромодуляционных, тензорезнсторных преобразователей со свободной проволокой. С помощью итерационного подхода получен алгоритм определения необходимого количества преобразователей. По критерию оптимальности:

1„(Хн) = -

(1)

можно установить процедуру их рационального размещения до выполнения условия (1).

Решая прямую систему уравнений фильтра на основе априорных данных N. N (Ы<Ы'), '¡=1, так, чтобы значен!« были равны 1,а N-N = 0

^^=а, • Х(1,г)+р(1,г> • ио.г)+¿¿ро^.Б' ) х

(2)

^ »а, ■ 5Х0.г) + ¿¿РО.гД')• Н'(й') ■ X, X

(Л ,.1 г, (3)

1/8X0,7)5X41, т-^р; (4)

л Т Т„ ¿<1

у.реП; Пг,П,еП. (5)

В этой главе диссертации с помощью сопряженной системы уравнений фильтра определено № функций переключения:

о, = }/1Ф,0.2) + 5Ф'0,2)]Р(1.2,.8')Нг(1,2<)Х

• (6)

х • - нс^Х1) • х(<,2)](12 • «ь.

Из Ы' функций переключения с выбрать N. которые принимают соответственно самые большие значения 1 для параметров 1,}« 1

Если на выбранном шаге не происходит изменение значений ), то поиск заканчивается, если нет - повторить процедуру с шагом 2,1.

Проверив условие (1) й если оно выполняется, то принимаем N •» N -I в противном случае N = N+1 и повторяем процедуру с шага 2,1. Если для предыдущего N условие (1) выполняется, а для текущего нет, то процедуру поиска заканчиваем.

принимая в качестве исходного параметра значение предыдущей итерации. Процедура поиска заканчивается и в том случае, если имеет место обратное положение, т.е. если для предыдущего N условие (1) не выполняется.

Для цифровой реализации алгоритма можно применить метод конечных разностей или конечных элементов. Если же оператор А. является самостоятельным и позволяет определить собственные функции аналитически и числа в явном виде, предпочтительным является метод Фурье, при котором задача решения уравнений в частных производных сводится в пределе к решению обыкновенных уравнений. При этом размерность уравнений порядка 3-5 является достаточной.

Математическая модель автоматического контроля процесса разрушения образца в условиях полного влагонасыщения отображает гидродинамическую и микропроцессорную части. Изменение давления в зоне установки образца на расстоянии г от центра диска определяется как разность двух напряжений с преобразователя

и„=+К-ДР

(7)

и,2 = -кдр,

где К - коэффициент преобразования, ДР - разность давлений.

Тензорезистивный мост преобразователя связан с изменением давления значениями сопротивлений

ДЯ

ДР-5 = —-Ч (8)

■

где Б - чувствительность преобразователя к давлению, ДЯ, - изменение 1 - го сопроти&тення И, преобразователя.

Чувствительность преобразователя определяется для данного типа (КРПГ 433643. 01 ТУ) условием:

Б = (25-г 45)-10"* -Еп, (9)

где Еп - напряжение питания преобразователя.

Зависимость выходного сигнала от основных гидродинамических параметров и размерных параметров устройства

и,=Р(0,р,в,К,ф,Ь1,,г), (10)

является исходной предпосылкой построения математической модели систем, где 0 -расход жидкости, р - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, К -радиус диска, (р - угол сектора, на котором происходит движение потока. Н - высот; зазора в зоне размыва в точке установки датчика давления, г - радиус установки датчик; на диске.

Полученные соотношения вакуума в зоне размыва определяются уравнением: 1 1

2-ф1 г2-ь2

(И)

где И - толщина зазора между дисками.

Напряжения на положительном Цц и отрицательном Цц выводе преобразователя и гидродинамического давления связаны зависимостью:

р-0г

1

1

2-ф1 г -Ь

Разностный сигнал на выходе преобразователя в общем случае равен: и _ic.PiQl.r__!__!_1

(12)

(13)

Поскольку регистрируемое и обрабатываемое в ПЭВМ численное значение разности давлений связано соотношением:

и, =N-1^.

(И)

где и, - принятое и обработанное в ПЭВМ числовое значение, N - постоянный коэффициент линейной аппроксимации, вводимый блоком обработки информации. Проведем синтез структурной схемы этого блока:

Цн — Усил. — Коммутатор АЦП

и« — • •

МЕЕМ — а«

ПЭВМ

Рисунок 1. Структурная схема блока обработки информация

Для практических целей с достаточной точностью обработок информации разработана обобщенная структурная схема комбинированного регулирования параметров установки и системы управления динамическими режимами. Наиболее

приемлемым для использования принципа инвариантности при построении усилителя является операционные устройства, в которых коррекция амплитудно-частотных характеристик производится емкостью, включенной параллельно нагрузочному резистору выходного каскада операционного усилителя, который передается через корректирующий конденсатор. На выходе усилителя комбинированного типа допустимая погрешность определяется:

1 +\У,(Р)----

1 + Т -Р

6.(Р) =--, (15)

[1 + \У, (Р)] • [1 + (Р)]

где Р < Зсо, XV |(Р), 2(Р) передаточная функция операционного усилителя или каскада усилителей, Т* - постоянная времени корректирующей цепи основного усилителя. При этом коэффициент передачи выходного повторителя операционного усилителя всегда меньше единицы. С учетом потерь вышеназванном повторителе погрешность составляет:

1 + (Д + ^-)-Тк-Р

5-{Р)=ТТТГ--Г1-• (16)

2 1+—±—Т.-Р 1 + К, *

где Д - погрешность передаточной функции операционного усилителя или каскада усилителей; Сп - паразитная емкость; С. - корректирующая емкость; К2 - коэффицнет обратной связи корректирующей цепи основного усилителя.

Качество работы системы зависит от погрешности на выходе основного усилителя. Разность выходных сигналов преобразователя поступает в специальнс построенный дифференциальный усилитель, передающий сигналы без значительны? помех. Значение погрешности, вносимой аналоговым коммутатором К определяете) выходным значением сопротивления коммутатора Кк.ил 11 входным сопрогшыспис.к аналого-цифрового преобразователя Я,:

К =-^-. (17)

Изменение динамического давления передается за интервал времени I , от преобразователя в ПЭВМ и определяется суммой отрезков времени персключснн: коммутатора ^ срабатывания аналого-цифрового преобразователя (АЦП) - ^ времени передачи сигнала по. длинной линии Х^, времени срабатывания порт Бвода'вывода в ПЭВМ

11 = «ю, + 1иш + 1„ + 11ПЫ1. (18)

Так как на выходе АЦП имеется регистр хранения данных, информация в котором меняется по сигналу с ПЭВМ и учитывая, что t тт > t лин + t пзвм, то суммарное время t, определяется временем переключения коммутатора и временем срабатывания АЦП.

Одним из показателей работы системы является линейная зависимость параметров давления и напряжении в пределах заданной шкалы измерений вакуума, который составляет 50мм водного столба. Учитывая выбранные параметры и время опыта равное 2-5 минут, влиянием ступенчатости коэффициента А статической характеристики АЦП можно пренебречь и линеаризовать ее, проведя некоторую среднюю прямую. Протяженность всех горизонтальных площадок статической характеристики одинакова и равна единице младшего разряда St. Зависимость коэффициента А от параметров системы определяется:

А = int- [— + 0,5 • S ing(U)], . (19)

5,

где int - целая часть числа. Sing - дробная часть.

Наибольшая ошибка входного преобразования сигнала при переходе от нелинейной характеристики к линейной не превышает знзчений по модулю 0,5 ¿>,. Учитывая то обстоятельство, что длина линии связи между АЦП и портом ввода/вывода ПЭВМ относится к электрически длинным, ее можно описать системой дифференциальных уравнений, трансформированных к виду:

'ач _j_ зч=0

• (20)

Ö4J _ J_ эги

,SxJ V2'a!

Их решение даст связь между токами и напряжениями на концах длинной линии п моменты времени, равные времени распространения волн вдоль лшши.

Наиболее рациональной для автоматического анализа информации является модель линии, непосредственно связывающей граничные условия напряжения и токи на концах линии передачи. Математическая модель начала и конца линии связи и соответствующие им токи и напряжения определяются уравнениями:

U(0. t)=z,(0,t)+U(i,t - т0>-z,(i,t - т0);

(21)

U(l,t) = -Z,(l.t) + U(0,t - T.) + Z,(0,t 7 T0).

С учетом полученных передаточных функций, значений эквивалсшныч источников н z преобразований решетчатых функций, при переходе к оригиналам получено задающее напряжение на входе АЦП

11 =-5--(-^--[10-Ш. + (Ю-Ш,-10-Ш2)--^] + —х

ю-ш.-ю-ш, 1 1 2' я6 + я7

х{10 Ш. -(10 Ш,-10 Ш3) ^-]-К, + К')----.

'' Я, я4 1

На основе математической модели связи между гидродинамическими параметрами электросигнала микропроцессора разработана математическая модель регистрации и обработки информации включающая в себя усилитель, аналоговый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, длинную линию связи и ПЭВМ.

Проведенный для автоматизации технологического процесса определения прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения синтез гидродинамической установки и электронного блока преобразования давления в электрический сигнал и его ввода в ПЭВМ для дальнейшей обработки и регистрации защищены патентом РФ № 2099682 (рисунок 2).

Рисунок 2. Функциональная схема установки для диагностики прочности полиднсперсных материалов (Патент Лг 2099682)

1 - трубопровод для подачи энергоносителя; 2 - диск с образцом фунта 3; 4 -верхний диск с трубкой 5 для преобразователя давления в электрический сигнал 8; 6 -корпус с отверстием 7 для выхода энергоносителя с частицами полидиспсрсного материала; 9 - усилитель; 10 - АЦП; 11 - порт ввода/вывода ПЭВМ.

Глава 3. Методика оценкн параметров точности измерений

В главе дается анализ и синтез погрешностей при получении, регистрации и обработке информации о гидродинамической устойчивости объектов исследования. Анализ погрешностей выполнен по составным элементам конструкции устройства на основе его математических моделей (Глава 2). В его состав входят погрешности блока обработки информации, математическая модель которого определяется отклонениями данных в преобразователе давления, блока усиления сигнала, аналоговом коммутаторе, аналого-цифровом преобразователе. Мультипликативная погрешность преобразователя давления типа КРПГ 433.643.001ТУ по техническим условиям не превышает 0,5% от номинального значения. Нелинейность преобразовательной функции с учетом выбранных параметров составляет:

ДБ = (0,5 ± 0,15 • Д0%, • (23)

где Д1 - изменение температуры окружающей среды по отношению к се значениям в начале и конце эксперимента. Погрешность дифференциального усилителя определяется неточностью изготовления резисторов, отклонениями операционных усилителей. Внутренняя структура математической связи между конструктивными элементами этого узла дает суммарную погрешность дифференциального блока усилителя:

5Д =5дп[ес.,Д{] + 5д[ес.Д{1+уд[ДК|,ДЯа,ДК„ДК,] +

(24)

+ 8д[Д111,Д112,Д11),Д114] + 5Д[М

где 8да[е(1,,Д1] - приведенная погрешность усилителя; уд[ДК,,Д11г,ДК,,Д114] -относительная аддитивная погрешность; 5д[ДК,,ДКа,ДК,,ДК4] - приведенная аддитивная погрешность; 5д[Ма>] - погрешность синфазного сигнала блока.

В работе дана связь между этими параметрами и их расчет." Погрешности, вносимые коммутатором, определяются его выходным сопротивлением и входным сопротивлением анаюго-цифрового преобразователя. С учетом схемотехники блока обработки информации погрешность на аналоговом коммутаторе составляет.

-И»«»/.. (25)'

к, +ккв„

Так как процесс преобразования и изменения давления в ходе эксперимента с образцами является непрерывным, то включение аналого-цифрового преобразователя в такую систему вызывает погрешности, слагаемые из двух, различных гю своей физической природе компонентов. Первая часть характеризуется погрешностями квантования входной величины в функции времени, а вторая - определяется инструментальными погрешностями преобразователя, а также цифрового округления,

представления и разрешающей способностью уровней связи квантования сигнала. Процесс преобразования непрерывной аналоговой величины в цифровой код определяется быстродействием АЦП и его режимными параметрами. При этом возникают динамические погрешности, обусловленные инерционностью конструктивных элементов, и характеризуются длительностью переходных процессов преобразования. Максимальная скорость изменения сигнала, исходя из экстремальных представлений о динамической ошибке равна:

(—)<;Х""~Х- , (26) с!Г Тц-2"

ГДС Хпих ХПип - максимальная и минимальная величина цифрового сигнала на выходе АЦП; Тц - время изменения входной величины на 1 квант; п - число выходных цифровых разрядов АЦП.

Эго условие дает погрешность не более одного отсчета в аналого-цифровом преобразователе.

Общая погрешность блока обработки информации определяется суммой погрешностей преобразователя ДБ, блока усилителя сигналов 5^, коммутатора 5, и

аналого-цифрового преобразователя :

+ (27)

В диссертации представлены размерные параметры погрешностей по их экстремальным значениям реально работающей автоматизированной системы технологического процесса. Для оценки погрешностей составлены таблицы и проведено точное измерение всех конструктивных элементов функционирующей системы, включая сопротивление резисторов. Для обеспечения суммарной погрешности не более 5% необходимо снизить значение мультипликативной погрешности резисторов не более 1% от рекомендуемых числовых значений блока обработки информации. Оценивая способы повышения надежности микроконтроллеров ввода/вывода ПЭВМ, для обеспечения минимума погрешностей, разработана архитектура построения микроконтроллеров ввода/вывода, обработки и хранения информации в виде матричного процессора с самоорганизацией.

Существует два подхода к решению этой задачи, которые различаются принципом закрепления частных алгоритмов за каждым из микроконтроллеров. Моделью структуры матричного процессора самоорганизации является логическая конфигурация К, управляющих микроконтроллеров в виде множества матриц М,:

КГ={М,..Л1Я..Л^}. (28)

Высокая эффективность исходных размеров матрицы достигается при введении дополнительной строки и столбца в матрице М,, позволяющие включить резервные элементы методами перестройки управляющей системы.

Процедура перенумерации матрицы при отказе элементов контроля включает четыре операции - просмотр и обнаружение отказов, горизонтальную перенумерацию и назначение атрибута, выполнение горизонтальной перенумерации и присвоение логического индекса, реализация вертикальной перенумерации и присвоение каждому элементу матрицы с атрибутом вертикальной нумерации индекса.

Методика выбора преобразователей давления для различных режимов функционирования установки включает этап оценки совокупиоденствующих параметров х-х Ъ-Ъ ш, достаточно полно описывающих решение поставленной задачи преобразования давления в электрический сигнал. Детерминированный анализ преобразователей давления, отличающихся принципами работы и организацией, затруднен из-за большого числа параметров, поэтому используют метод исключения параметров, дающий связь между различными их комбинациями и поиск рациональной схемы.

Применение экспертной методики выбора преобразователя давления указывает на целесообразность применения тензорезисторных преобразователей в приборах для определения прочности полиднсперсных материалов п условиях полного влагонасыщения. Основные параметры и значения весовых коэффициентов преобразователя приведены в таблице 1.

Таблица 1

Среднеарифметическое значение весовых коэффициентов Ь

Параметры преобразователя давления Весовой коэффициент

Диапазон измеряемых давлений, мм. рт. столба 0,1

Чувствительность мкВ/В мм. рт. столба 0,2

Диапазон рабочих температур, К 0,1

Нелинейность и гистерезис, % 0,2

Напряжение питания, Е „ В * 0,15

Разброс сопротивления в упаковке, % 0,05

Ползучесть за час при относительном удлинении

1 ООО мкм/м, % 0,1

Температурный коэффициент чувствительности (в

диапазоне температур 283 - 313 градусов К) % не более 0,1

Глава 4. Методика экспериментальных исследований и графоаналитического расчета микропроцессорной гидродинамической установки

Экспериментальные исследования выполнялись в лаборатории Курского государственного технического университета. Основные конструктивные элементы установки, макетные образцы и базовые детали изготовлены на АО «Электромельмаш».

Испытания проводились на специальной установке, включающей электродвигатель мощностью 0,6кВт, напором 18м. водяного столба от вихревого насоса с производительностью 1,8м3 в час.

Для создания гидродинамического потока с полем переменных скоростей движения энергоносителя были изготовлены 4 типа дисков с регулируемым зазором, с центральной и боковой конфигурацией разрушения образца, с секторной и эксцентричной формой центровки радиуса установки преобразователей. Условия проведения опытов соотвстствовхш средним показателем температуры, влажности и давления воздуха в летний период в Курской области.

Объектом исследования является преобразователь давления в напряжении, осуществляющий параллельную работу 4-х тензодатчиков. В качестве образцов для оценки прочности были специально изюювлены но размеру кернов установочных стаканчиков составы различных сортов мыла достаточно равномерной структуры, помненные обрати и осадочные фунты. Испытания заключались в определении равномерности давления по кругу радиуса вращения от оси диска до о шерстя установки теншлатчика. При установке образца в зону тензодатчика давления начинаемся сю разрушение потоком воды. Увеличение площади расходного сечения в ¡оме размыва фиксируется на экране монитора ПЭВМ и виде кривой зависимое) и палении давления от времени, и записывается в файл. Производная по времени фафнка разрушения лает скорость ею размыва. При наличии эталона можно построим, характеристику прочности безразмерных параметров, в основу которой положено опюшенис ординат на эталоне и испытываемом образце.

Тарировка преобразователя давлении проводилась по дифференциальному манометру при максимхтыюй высоте водяною столба 250мм.

Опытные данные обрабатывались методом математической аашаики. Рсл лмунл экспериментальных исследований раскрываю! потенциальные но1Можносш л1шлм11ки-1счполо| ической диапюешки полилнспсрснмх мак-риалов новыми способами и техническими средствами в автоматическом режиме работы устройства. Время проведения одного опыта составляет 3-5 минут с подготовкой и пуском

)СКШОВКИ.

Методика графоаналитического расчета установки и иосфосиие се конструктивной схемы является заключительным этапом исследования. Определяющими исходными моментами для расчаа являются фншко-мсхаинчсскне свойства иолидиспсрсных материалов, критическая скорость и давление iioiока, гидродинамическая прочность образцов, характеристики составных элсмсшоп электронной части прибора. Цель методики сводшся к соданшо научно обоснованной конструкции устройства для диагностики гидродинамической прочности исследуемых материалов.

Основные этапы расчета приведены в таблиц:- 2

Таблица 2

Расчетный параметр Расчетная формула Значение элементов формул

Расчет гидродинамическом установки

Зазор между дисками Ь = (1,5/2)-^ Ь - зазор между дисками, мм

Скорость потока воды [У 1,р] л-в У= ^ 2-Л--Л-Л критическая скорость разрушения, м/с; Я, - число Рейнольдса; Л - радиус диска; V - вязкость воды; g - ускорение; 0 - расход жидкости.

Вакуум в плоскости диска над поверхностью исследуемого образца . р(У2-Уо) 2 Л2-Л0] (р - угол полачи жидкости <рй 2 • ,т; р — плотность жидкости.

Производительность гидроустановки () = У-2лЛИ-р

Затраты мощности 102-^ у - удельный вес жидкости; , 7 - КПД установки; Н - потери напора.

Расчет электронной части установки

Коэффициент преобразования сигнала К=^-±(25 + 45)х хИТ'-Е. Е„ - напряжение питания преобразователя.

Усилитель

Максимальное входное напряжение К - коэффициент! преобразования давления в ! напряжение на ш.ходе ' усилителя. : ДР„ -максимальное ■ давление на входе ь преобразователь.

Аналоговый ключ

Искажение сигнала на ключе К =---<1 = СО/И/ - сопротивление датчика. - выходное сопротивление аналогого коммутатора.

Аналого-цифровой преобразователь

Пофешность АЦП 0,5-6, 5, - величина единицы младшего разряда на выходе АЦП

Быстродействие АЦП / = 2-N N - число цифровых разрядов на выходе АЦП.

Общие результаты и выводи работы

1,Систематизировании методы и средства автоматизации технологического процесса контроля прочности полидиспсрсных материалов в условиях полного ьлагопасыщения, позволившие разработать обобщенную структурную схему автоматизированной системы, основанной на гидродинамическом методе с применением микропроцессорной техники.

- 2.Разрабо|ана аналитическая модель гидродинамического процесса и микропроцессорного устройства автоматизированного контроля прочности полидиспсрсных матернхю», позволившая определить размерные и режимные параметры составных элементов автоматизированной системы.

3.Обоснованы схемотехнические и параметрические модели снижения влияния источников пофсншости при определении прочности иолндисперсных материалов и условиях полною нлаюнасыщення, позволившие умепынип. нофсшность диффереициалыюто'усилигсля, Л ЦП н контроллера ввода/вывода.

4.Разработана инженерная методика 1раф0аналитнчсск010 расчета автоматн тированной системы технологического процесса для гидродинамических испытаний материалов на прочность на основе современной микропроцессорной техники. Инженерная методика позволила создать конструкцию системы для автоматизации процесса гидродинамической диагностики прочносш полидиспсрсных матсрихзов в условиях полного влагонпсьпксния с автоматической ретнетрацией и обработкой в ПЭВМ в режиме реального времени

ОсГтоиные ретудтлаты нашли отражение о следующих работах

1. Тюшш Д.В., Пфименко В.В., Колоскоиа Г.П. Устройство конфигурации однородной управляющей системы. Магсрнхш конференции н опгнко-элекзроннме приборы и устройства в системах распознавания образов обработки изображения и символьной информации. //"Груды КГГУ, - Курск, 1993. - С. 204 - 206.

2. Титов B.C., Тюпин Д.В. Устройство для определения прочности полидисперсных сред //Региональная конференция. Контроль технологий, изделий, окружающей среды физическими методами: //Тез. докл. - Оренбург: 1996. - С. 57-58.

3. Колосков В.А., Тюпин Д.В. Матричный процессор самоорганизации управляющей сети. Сб. Алгоритмы и структуры систем обработки информации. - Тула, 1994г.-С. 87-96.

4. Котельников В.Я., Захаров И.С., Титов B.C., Тюпин Д.В. Устройство для гидродинамической оценки прочности полидисперсных материалов при полном влагонасыщении. //Патент № 2099682, бюлл.№ 35, 1997г.

5. Титов B.C., Колосков В.А., Тюпин Д.В. Самосинхронизация аддитивной микроконтроллерной сети // Междун. конф. Новые информационные технологии и системы: //Тез. докл. - Пенза: 1994. - С. 71-72.

6. Колосков В.А., Титов B.C., Тюпин Д.В. Обеспечение непрерывности управления в мультимикроконтроллерной сети // Междун. конф. Материалы и управляющие технологии: //Тез. докл. - Курск: 1994. - С. 186 - 192.

7. Тюпин Д.В. Автоматизация процесса определения прочности полидисперсных сред в условиях полного влагонасыщения //II Международн. конф. Новые информационные технологии и системы: //Материалы конференции. - Пенза: 1996.-4.2.-С.18-19.

8. Тюпин Д.В. Использование тензопреобразователей в устройстве для определения прочности полидисперсных сред в условиях полного влагонасыщения. //Тез. докл. IX Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" -М.:МГИЭМ, 1997.-С.380-381.

Подписано в печать9.11.98. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,28. Тираж 100 экз. Заказ /73 Курский государственный технический университет. Курск 305040 ул.50 лет Октября, 94.

/ " " к/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Тюпин Дмитрий Викторович

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛНОГО ВЛАГОНАСЫЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.07. - Автоматизация технологических

процессов и производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук профессор Котельников В.Я., доктор технических наук профессор Титов B.C.

Курск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

Глава 1. НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛНОГО ВЛАГОНАСЫЩЕНИЯ......................................................................................10

1.1. Изменение физико-механических свойств почво-грунтов в условиях

переменной влажности...................................................................................10

1.2. Анализ методов определения прочности полидисперсных сред.........12

1.2.1.Методы пенитрационных испытаний и вращательного среза........13

1.2.2.Определение прочности связных полидисперсных сред по их

пластичности..............................................................................................14

1.2.3.Определение механической прочности полидисперсных сред

методом Д.Г. Виленского...........................................................................16

1.2.4.Определение прочности почвы с помощью эрозийного лотка.......17

1.2.5.Определение прочности почвы с помощью аэродинамической установки....................................................................................................19

1.2.6.Методы и средства контроля физико-механических свойств полидисперсных материалов на основе ядерных излучений и изотопных индикаторов................................................................................................21

1.2.7.Метод и установка для аэрогидродинамической оценки прочности почвогрунтов В.Я. Котельникова..............................................................25

Выводы............................................................................................................28

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СИНТЕЗА ПАРАМЕТРОВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ...........................................................29

2.1. Микропроцессорные системы определения гидродинамической

прочности полидисперсных материалов.......................................................29

2.2. Расчет параметров гидродинамической части установки.....................30

2.3. Обоснование выбора преобразователя давления в электрический сигнал..............................................................................................................35

2.3.1.Струнный преобразователь давления в электрический сигнал......37

2.3.2.Емкостные преобразователи давления.............................................38

2.3.3.Пьезоэлектрические преобразователи..............................................39

2.3.4.Пьезорезонансные преобразователи.................................................39

2.3.5.Индуктивные преобразователи.........................................................39

2.3.6.Преобразователи ферромодуляционного типа................................41

2.3.7.Тензорезисторные преобразователи со свободной проволокой и интегральные фольговые преобразователи...............................................41

2.3.8.Алгоритм определения минимального количества измерительных датчиков......................................................................................................42

2.4. Математическая модель устройства определения прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения...........46

2.4.1. Соотношения параметров гидродинамического потока и микропроцессорного преобразователя системы контроля......................53

2.4.2.Модель обработки информации.......................................................55

2.4.3.Линейная аппроксимация параметров потока информации...........61

Выводы............................................................................................................68

Глава 3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ

ИЗМЕРЕНИЙ.....................................................................................................69

3.1. Обоснование математической модели погрешностей преобразователя давления и блока обработки информации....................................................69

3.1.1.Погрешность преобразователя давления..........................................69

3.1.2.Погрешность блока усиления сигнала..............................................70

3.1.3.Погрешность аналогово коммутатора..............................................74

3.1.4.Погрешность аналого-цифрового преобразователя.........................75

3.1.5.Определение суммарной погрешности преобразователя давления в электрический сигнал и блока обработки информации...........................81

3.2. Способ повышения надежности микроконтроллеров ввода/вывода ПЭВМ..............................................................................................................81

3.3. Методика выбора тензорезисторных преобразователей давления для

различных режимов функционирования установки.....................................88

Выводы............................................................................................................92

Глава 4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ......................................................93

4.1. Характеристика условий исследования.................................................93

4.2. Характеристика объектов исследования...............................................94

4.3. Схемы опытов и техника их выполнения, обработка экспериментальных данных..........................................................................96

4.4. Методика графоаналитического расчета установки и построения ее конструктивной схемы.................................................................................103

4.4.1.Основание для расчета....................................................................103

4.4.2.Расчет гидродинамической установки...........................................104

4.4.3.Расчет электронной части установки.............................................106

4.4.4.Построение функциональной схемы устройства...........................119

Выводы.............................................................................................................120

Общие результаты и выводы работы..........................................................121

Литература........................................................................................................122

Приложение 1...................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Диагностика и оценка гидроаэродинамической прочности полидисперсных материалов имеет важное научно-практическое значение. Вместе с тем, большинство используемых приборов и способов для контроля и определения физико-механических свойств почво-грунтов и их гидродинамической прочности под воздействием потоков воды или других энергоносителей все еще несовершенны и требуют своего улучшения и развития, особенно в части автоматизации управления сбора и обработки исходной информации о закономерностях изучаемых процессов.

Устарели также способы измерения внутренних сил, удерживающих частицы влажного грунта и почвы, наносов в водных потоках, уровней прочности пластов грунтовых вод, контроля состояния гидротехнических сооружений, методы масштабной оценки и съемки прочности поверхности земли. Устарели не только методы, но и приборы, используемые в почвенных, агрометеорологических и инженерно-геологических исследованиях и изысканиях.

Между тем развитие электроники, технической физики, биофизики и естествознания привело к появлению новых быстрых и точных методов натуральных измерений влажности, плотности, динамической устойчивости почво-грунтов, растворов и других полидисперсных сред по воздействиям потоков воды, воздуха и других энергоносителей. Известны механические, нейтронные, радиометрические приборы и методы контроля. Часть из них успешно используется и внедряется в практику полевых и научно-исследовательских изыскательских работ. Однако они не дают полной информации при большом статистическом обобщении материала в силу неадекватности условий проведения опытов. Эти недостатки могут быть устранены при использовании быстродействующих микропроцессорных систем и ПЭВМ.

Способы и техника автоматизации технологического процесса оценки гидродинамической прочности, уменьшение погрешностей и расширение их

методологической возможности, а также конструкции приборов постоянно совершенствуются и им посвящен целый ряд исследований в нашей стране и за рубежом. Значительный вклад в теорию и практику исследований в этом направлении внесли Аттенберг, Терцаги. Г.И. Покровский, А.Ф. Лебедев, П.А. Ребиндер, П.У. Бахтин, A.M. Васильев, Pao, Сид, Б.Н. Рутковский, В.П. Вихарев, Н.М. Орнатский и другие. Однако применение электроники в автоматизации технологических процессов при определении физико-механических и гидродинамических свойств полидисперсных материалов сдерживается отсутствием достаточного количества исследований в этом направлении, что ставит в качестве неотложной и актуальной проблему создания методов и средств автоматизации диагностики и контроля прочности материалов с применением электронно-вычислительной техники.

Диссертация выполнена в соответствии с утвержденной 29 апреля 1998 года региональной научно-технической программой «Реконструкция и развитие сельскохозяйственного машиностроения Курской области на 1998-2005 гг.», Гранта 13 Госкомвуза России «Разработка теоретических основ и принципов построения адаптивных информационно-измерительных систем на базе микроЭВМ и прецизионных датчиков, предназначенных для гибких производственных систем (ГПС) и гибких производственных модулей (ГПМ)» 1993 года, тема «Создание базовой архитектуры для информационных гипертехнологий и обработки изображений», финансируемая по ЕЗН Комитета по ВШ № 10-36-67 ИН. 10-02-11.

Целью работы является создание автоматизированной системы управления технологическим процессом определения прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения для работы в реальном времени.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить анализ и дать классификацию методов и аппаратуры для исследования прочности полидисперсных материалов и автоматизации рабочих

процессов путем управления гидродинамическими параметрами их разрушения;

2) разработать аналитическую модель гидродинамического и электронного микропроцессорного устройства автоматизации технологического процесса контроля и обработки информации поступающей в ПЭВМ;

3) обосновать схемотехнические и параметрические модели снижения влияния источников погрешности при определении прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения;

4) разработать инженерную методику расчета размерных и режимных параметров автоматизированной системы управления технологическим процессом контроля и управления оценки гидродинамической прочности материалов;

5) выполнить экспериментальную проверку и дать оценку адекватности механико-математической модели с результатами эксперимента.

На защиту выносится:

1) Автоматизированный метод определения прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения;

2) Математическая модель автоматизации технологического микропроцессорного контроля разрушения полидисперсных материалов в гидродинамических системах.

3) Теоретическое и экспериментальное обоснование размерных и режимных параметров силового и электронного устройства для автоматизированной диагностики полидисперсных материалов.

4) Инженерная методика графоаналитического расчета установки и аппаратуры для гидродинамических испытаний материалов на прочность на основе микропроцессорной автоматизированной системы управления рабочим процессом и их конструкция.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

обоснован метод оценки прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения;

разработана детерминированная математическая модель определения прочности полидисперсных материалов, раскрывающая закономерности автоматизации технологического процесса и получения исходной информации;

проведен анализ погрешностей преобразования давления в цифровое значение на входе ПЭВМ и на его основе получена математическая модель, позволяющая оценить достоверность результатов определения прочности полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения;

получена методика графоаналитического расчета и проектирования размерных и режимных параметров устройства для автоматизации оценки прочности полидисперсных сред.

Обоснованность и достоверность полученных выводов, научных и практических результатов исследования:

1 .Согласованность теоретических и экспериментальных результатов работы подтверждаются аналитическими исследованиями гидродинамического процесса взаимодействия энергоносителя с полидисперсными материалами, его математическими моделями, лабораторными экспериментами на макетных установках и образцах.

2.Выводы и рекомендации базируются на законах и закономерностях электронных и микропроцессорных систем, статистической динамики, теории подобия и др.

Практическая значимость работы.

Итоги исследований позволяют предложить научно-исследовательским, проектно-конструкторским организациям электронного приборостроения методику графоаналитического расчета и конструкцию установки для автоматизации управления технологическим процессом разрушения

полидисперсных материалов в условиях полного влагонасыщения на основе микропроцессорной системы.

Реализация результатов исследования.

Результаты исследований внедрены на АО «Элеватомельмаш» при разработке технологических комплексов скоростных машин и использованы в учебном процессе Курского государственного технического университета на кафедре ВТ по курсу «Измерительная техника». Получен патент на устройство № 2099682, бюлл. № 35, 1997г.

Апробация работы.

Основные результаты и положения доложены и одобрены на научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» -Москва МГИЭМ, 1997, на Международной конференции «Новые информационные технологии и системы» - Пенза, 1994, 1996, на Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов обработки изображения и символьной информации» - Курск, 1993, на Международной конференции «Материалы и управляющие технологии» - Курск, 1994, на Региональной конференции «контроль технологий, изделий, окружающей среды физическими методами» -Оренбург, 1996, на семинарах кафедр «Теоретической механики и ТММ» и «ВТ» Курского государственного технического университета 1993 - 1998гг.

Публикации.

По материалам исследований опубликовано 8'работ, В том числе одна статья, шесть тезисов докладов, один патент.

Объем и структура диссертации.

Работа состоит из введения, IV глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, в том числе 8 таблиц, 27 рисунков и 1 приложение. Список литературы включает 104 наименования.

Глава 1. НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛНОГО ВЛАГОНАСЫЩЕНИЯ

1.1 Изменения физико-механических свойств почво-грунтов в условиях переменной влажности

Оценка параметров и определение физико-механических свойств полидисперсных материалов во многом определяется их влажностью. Этому вопросу посвящено достаточное количество исследований. Особенно следует отметить работы A.M. Васильева, Аттенберга, А.Ф. Лебедева, В.П. Вихарева, П.У. Бахтина, П.А. Ребиндера, П.О. Бойченко, М.И. Троицкой, Сридхарана, Pao, Сида, Б.Н. Рутковского, Рогаткиной, Терцаги, М.Н. Гольдштейна, Г.И. Покровского и другие /1/, /2/, /3/, /4/, 151, 111, /10/. Исследование физико-механических свойств почво-грунтов направлено прежде всего на прогнозирование их поведения под воздействием окружающей среды, в условиях производственной деятельности человека и естественных геофизических процессов.

Воздействие внешних факторов на полидисперсные системы приводит к изменениям в силовых, энергетических и термодинамических процессах, происходящих в них. При этом, если интенсивность воздействующих факторов достигает определенного предела, то происходит разрушение системы. Для описания этих процессов используются детерминированные и стохастические зависимости.

Применительно к решаемой технической задаче рассмотрим основные механические свойства почво-грунтов. Изучение возможности оценки предела прочности почво-грунтов в условиях полного влагонасыщения связано с изменением гидродинамических параметров образца. Наименьший предел прочности почво-грунтов имеет место при растяжении, среднее значение - при

и

сдвиге и наибольшее - при сжатии. Для почво-грунтов в воздушно-сухом

состоянии по данным Я.М. Жука среднее значение предела прочности при

2 2 растяжении составляет 50-60 г/см , при сдвиге - 100-120 г/см и при сжатии -

650-1080 г/см2. По данным А.Н. Урсулова предел прочности почво-грунтов

уменьшается с увеличением их влажности. Для характеристики прочности

почво-грунтов пользуются определением их напряжен