автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система определения акустических параметров материалов

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ІІІАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МОНЗЕР МОХ’Д СУБОХ АЛЬ-ТБАРГ КРИШАН

-?га од

, УДК 620.179

2 и

ІНФОРМАЦІИНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА ВИЗНАЧЕННЯ АКУСТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.11.16 - “Інформаційно-вимірювальні системи”

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Київ -2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національному авіаційному університеті (м.Київ) Міністерства освіти і науки України на кафедрі інформаційно-вимірювальних систем

Науковий керівник: БАБАК Віталій Павлович

.' доктор технічних наук, професор

ректор НАУ

Офіційні опоненти: НІЖИНСЬКИЙ Анатолій Данилович

доктор технічних наук, професор, провідний науковий співробітник ІЕД НАН України

АНТОСИК Анатолій Павлович кандидат технічних наук, начальник НДВ НДІ Гідроприладів

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України (м.Київ)

Захист відбудеться «^Г» СсЧмя 2001 р. о ^ год. на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д26.062.01 при Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою:

03058, Київ 58, пр. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці університету.

Автореферат розісланий “ $■! ” / 2000 р. .

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність уаботи. Ультразвук широко застосовується в різних галузях науки і техніки, біології, медицині, механіки, промислових технологіях, інформаційно-вимірювальної техніки тощо. Поряд з суто практичним застосуванням ультразвук відіграє важливу роль в наукових дослідженнях. Неможливо уявити сучасну фізику твердого тіла без ультразвукових та гіперзвукових методів дослідження. Ці методи застосовують для вивчення будови та властивостей речовини, перебігу в них різноманітних процесів на мікро- та макрорівнях, отримання інформації про особливості кристалічної решітки та мікродефектах. Ультразвукові дослідження надають інформацію про розміри неоднорідностей та кристалітів, особливості дислокаційної структури, про динаміку дислокацій та границь доменів, про поверхні Фермі, які характеризують електрони провідності та інші параметри матеріалів. В області высоких температур ультразвукові методи дозволяють проводити дослідженния різних фазових переходів, а результати вимірюванння модулей пружності третого порядку містять інформацію про теплоємність та теплопровідніоть матеріалів. Крім того ультразвукові методи широко застосовуються у контролі технологічних процесів для визначення характеристик пружності та міцності металів та сплавів, кераміки та бетону, визначення наявності домішок та інших характеристик та параметрів матеріалів і речовин. Розвитку перелічених напрямів досліджень присвячені праці відомих вчених: У.Мезона,

Н.К.Гобрана, Н.П.Алешина, А.Е.Колеснікова, В.С.Постнікова, И.Н.Ермолова,

В.В.Рошупкіна, Н.А.Семашко та інших.

Ультразвукові дослідження матеріалів грунтуються на зв’язку параметрів розповсюдження ультразвукових коливань в структурі речовини, що є однією з найважливіших властивостей ультразвукових хвиль. Ці залежності дозволяють отримати інформацію про фізико-механічні характеристики матеріалів на основі результатів вимірювань швидкості звуку та коефіцієнта загасання в широкому діапазоні частот та при впливі різних факторів - тиску, температури, магнітного поля, механічного навантаження і т.і. Знання акустичних параметрів матеріалів є фундаментом не тільки для проектування та проведення розрахунків виробів на міцність та надійність, але й для оцінки залишкового ресурсу деталей конструкцій, термінів проведення профілактичних та ремонтних робіт тощо.

Точність та вірогідність механічних розрахунків конструкцій в значній мірі залежить від точності визначення акустичних параметрів матеріалів, найважливішими з яких є швидкість звуку та коефіцієнт поглинання. Це ствердження стосується не тільки області низьких, але й області високих температур, в якій спостерігається значне загасання акустичних сигналів, а сам процес вимірювання перетворюється на досить трудомістку процедуру, яка потребує значних витрат часу. Тому підвищення вірогідності, точності та розрізнювальної здат-

ності вимірювання швидкості звуку та коефіцієнта загасання, надійності експериментальних даних, отримання максимально можливої кількості інформації в одному експерименті, є актуальними питаннями, а їх вирішення має важливе значення як з наукової, так і практичної точок зору. Розв’язання цих завдань потребує створення нових приладів та автоматизованих інформаційно-вимірювальних систем, в яких використано останні досягнення науки і техніки в галузях фізичної акустики, електроніки, теплофізики, комп’ютерної техніки, прикладної математики та інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Робота виконана на кафедрі інформаційно-вимірювальних систем НАУ під науковим керівництвом д.т.н., професора В.П. Бабака в рамках науково-дослідної роботи 869, замовником якої є Міністерство освіти і науки України. .

Мета роботи: розробка апаратних та програмних засобів інформаційно-вимірювальної системи для дослідження акустичних властивостей матеріалів в широкому діапазоні температур, а також нових методик їх визначення.

Для досягнення вказаної мети в работі були поставлені та розв’язані наступні задачі:

1. Розроблені принципи побудови автоматизованої комп’ютерної інформаційно-вимірювальної системи, яка забезпечує одночасне вимірювання основних акустичних параметрів матеріалів - коефіцієнту загасання та швидкості розповсюдження ультразвукових коливань в широкому діапазоні температур.

2. Створені алгоритми автоматичного керування процесом одночасного вимірювання акустичних параметрів матеріалів в широкому діапазоні температур.

3. Розроблені схеми апаратної частини інформаційно-вимірювальної системи, яка забезпечує оперативне керування режимами вимірювання, збором та передачею в комп’ютер вимірювальної інформаціі.

4. Розроблено програмне математичне забезпечення інформаційно-вимірювальної системи визначення акустичних параметрів матеріалів в широкому діапазоні температур.

5. Проведено аналіз похибок вимірювання та шляхів підвищення точності вимірювання акустичних параметрів матеріалів із застосуванням обробки енергетичних параметрів відбитих акустичних сигналів.

Загальна методика досліджень. Виконані дослідження базуються на сучасному математичному апараті цифрової обробки дискретизованих сигналів із застосуванням комп’ютерної техніки, методах матеріалознавства для проведення термічного та диференціального термічного аналізу.

Наукова новина оаботи. Запропоновано та досліджено спосіб прецизійного вимірювання швидкості розповсюдження ультразвукових коливань на основі оцінки часових інтервалів між радіоімпульсами по їх енергетичним центрам. Експериментально підтвержено, що застосування енергетичних характеристик сигналів забезпечує досягнення більш високої точності

вимірювання коефіцієнта загасання та швидкості ультразвуку. Новизна запропонованого способу захищена патентом України на винахід.

Практична цінність роботи. Розроблена експериментальна установка для визначення акустичних параметрів матеріалів в широкому діапазоні температур. Створено методику проведенння ультразвукових досліджень матеріалів у діапазоні температур: 0 + 1200. °С. Розроблені алгоритми та програмне математичне забезпечення інформаційно-вимірювальної системи для керування процесом вимірювання, обробки данних та представлення результатів у вигляді залежностей акустичних параметрів матеріалів від температури.

Особистий внесок автора. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Роботи, пов’язані з експериментальними дослідженнями виконано разом із співавторами, прізвища яких наведені в авторефераті. З робіт, опублікованних у співавторстві, використано результати, що отримані особисто співшукачем.

Апробаиія роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на ІИ-ій міжнародній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (Кам’янець-Подільський, 1998), Міжнародній конференції “Актуальні проблеми вимірювальної техніки” (Київ, 1998), Міжнароднії конференції “АВІА-99” (Київ, 1999), Міжнародній конференції “АВІА-2000” (Київ, 2000), семінарі кафедри інформаційно-вимірювальних систем та семінарі інституту інформаційно-діагностичних систем НАУ (Киев, 2000).

Публікації. По результатам виконаних досліджень опубліковано 7 наукових робіт, в том числі: статті в наукових журналах - 4; патент на винахід - 1; матеріали конференцій - 1; тези доповідей - 1.

Структура та зміст роботи.. Дисертациія складається з вступу, трьох розділів, загальних висновків, списка використаної літератури та вміщує 142 сторінки основного тексту, 48 малюнків, 2 таблиці, списка використаної літератури зі 122 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, зформульовані мета та задачі досліджень, визначені наукова новизна та практична цінність результатів досліджень, наведено дані по апробації роботи.

В першому розділі виконано аналіз відомих робіт по темі проведених досліджень. Для дослідження та визначення фізико-механічних характеристик матеріалів застосовано методи, серед яких найбільш широке розповсюдження отримали імпульсні ультразвукові методи. Основними інформативними параметрами, що визначаються цими методами, є швидкість звуку та коефіцієнт загасання, вірогідність та точність оцінки яких визначає вірогідність та точність оцінки фізико-механичних характеристик матеріалів вцілому.

З

Переважна більшість робіт даного напрямку пов'язана з розробкою методів вимірювання швидкості звуку, що обумовлено відносною простотою реалізації цих методів. При цьому вірогідність і точність вимірювань забезпечується як за рахунок підвищення точності вимірювання часових інтервалів між . відбитими сигналами, так і за рахунок різноманітних конструктивних рішень, що знижують вплив хвильових ефектів, дифракції, інтерференції тощо.

Особливу роль при досліджені фізико-механічних характеристик матеріалів відіграє коефіцієнт загасання. Даний параметр дозволяє досліджувати різноманітні механізми перетворення пружної енергії в речовині і може бути визначений тільки експериментально. Незважаючи на виняткову важливість цього параметра в літературних джерелах зустрічається дуже мало робіт присвячених його визначенню, зокрема визначенню коефіцієнта загасання в широкому діапазоні температур.

При вимірюванні швидкості звука і коефіцієнта загасання, як правило, отримують їх амплітудні чи частотні залежності. В той же час з наукової і практичної точки зору значний інтерес представляють температурні залежності даних параметрів. Але їх отримання пов’язано з особливими проблемами технічного і методичного плану, які виникають при виконанні вимірювань в широкому діапазоні температур. Найбільш вдалі рішення цих проблем грунтуються на використанні методик, які передбачають одночасне вимірювання всіх акустичних параметрів в одному експерименті. В таких експериментах доцільно використовувати зразки матеріалів, виготовлені з відрізків. Це дозволяє, по-перше, значно зменшити вплив дифракційних та інтерференційних ефектів і , по-друге, винести перетворювачі в холодну зону для забезпечення нормального температурного режиму їх роботи.

Існуючі експериментальні установки досить громіздкі та коштовні, а проведення експериментальних досліджень з їх використанням - це тривалий і трудомісткий процес, який виконується вручну без належних засобів статистичної обробки. Результат вимірювання значною мірою чутливий до суб'єктивних похибок, має низьку вірогідність і точність. Крім того, реалізація відомих методик базується на вимірюваннях амплітудних параметрів коливань. Відомо, що такі параметри є найбільш уразливими , у той час як енергетичні параметри сигналів є найбільш стабільними та інформаційно ємними.

Підвищення вірогідності і точності визначення акустичних параметрів матеріалів можливе як за рахунок розробки нових способів вимірювань, так і за рахунок створення нових методик та апаратних. засобів їх реалізації -спеціалізованих інформаційно-вимірювальних систем (ІВС). Такі ІВС повинні забезпечувати автоматизацію процесу вимірювання та виконання певної математичної і статистичної обробки отриманих результатів. При цьому усуватиметься дія суб'єктивних факторів, значно знижуватиметься тривалість і трудомісткість процесу вимірювання, підвищуватиметься гнучкість у прове-

денні експериментів, обробці та візуалізації результатів вимірювань.

У другому розділі розглядаються принципи побудови ІВС для визначення акустичних параметрів матеріалів у широкому діапазоні температур. Такі ІВС доцільно проектувати на базі персональних комп'ютерів (ПК). Для розробки таких систем використано структурно-алгоритмічний підхід, який базується на виконанні певних правил і угод: 1 .Вимірювання, накопичення і передача інформації в ПК здійснюється за допомогою високоточних засобів технології "ЬаЬСагсІ". 2. Послідовності підключення аналогових і цифрових каналів для вимірювання і передачі інформації в ПК визначається в залежності від швидкості її надходження. 3. Розподіл функцій керування всіма процесами системи здійснюється з огляду на мінімальну первинну аналогову обробку інформації і максимальне використання програмних і апаратних можливостей порту вводу-виводу (ПВВ) та ПК. 4. В системі забезпечується загальна синхронізація інформаційних каналів. 5. В системі виконується структурування інформації з визначенням її “шаблону” , послідовності його заповнення і звернення до нього.

Аналіз структури ІВС та розподілу функцій показує, що практично всі їх елементи відносяться до програмних і апаратних засобів ПВВ і ПК. Ці пристрої працюють в режимі програмного доступу, що дозволяє реалізувати алгоритми обробки інформації та керування процесом вимірювання в програмному математичному забезпеченні (ПМЗ) системи.

Значну увагу було приділено вибору схеми збудження зондуючих акустичних сигналів. Ці сигнали формуються і реєструються ультразвуковим перетворювачем, розташованим на одному кінці зразка, який виконано у вигляді дрота з проточкою. Проточка розташовувалась на фіксованій відстані від кінця зразка.

Система забезпечує оцінку акустичних параметрів матеріалів за такими співвідношеннями

Сзе=2€/ґ, [м/с] (1)

а_\п(иі1и2)-\щр/(1-р2)], [1/м] (2)

° 2І

де Сзв, а - відповідно, швидкість звуку і коефіцієнт загасання; і - довжина робочої ділянки зразка; ? - інтервал часу між сигналами, відбитими від проточки і торця зразка; І/1,1}2 - відповідно, максимальні амплітуди відбитих сигналів; Д - повний коефіцієнт відбиття від проточки.

З урахуванням особливостей визначення (1)-(2) виконано структурування інформаційних каналів системи. Виділено низькошвидкістний (базовий) аналоговий канал безперервного виміру температури, який забезпечує загальне керування процесом вимірювання та сполучення шкал, а також два швидкісних канали: цифровий - для визначення часових інтервалів, та аналоговий - для вимірювання амплітуд сигналів. Вимірювальна інформація

утворюється на виході зовнішнього пристрою, а швидкість її надходження регулюється періодом сигналів зондування. Це дозволяє сформулювати і розподілити функції системи за їх призначенням: формування сигналів збудження; прийом відбитих сигналів; формування вимірювальної інформації та її обробка, збереження і вивід результатів; загальне керування всіма процесами системи. Зазначені функції розподіляються між програмними та апаратними засобами розробленої ІВС, структурна схема якої наведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурна схема комп'ютерної ІВС

Елементи, що входять до складу системи розподіляються на три групи: генератор-збуджувач імпульсних сигналів (у складі формувача посилок, формувача циклів посилок, переривача-комутатора каналу даних); приймач-формувач даних (у складі субблока виділення ехо-сигналів, лічильників часових інтервалів, буферів даних, пікових пристроїв); блок керування, вимірювання, обробки і відображення акустичних параметрів. Всі вимірювання та контроль режимів вимірювання здійснюються за допомогою програмного модуля. Розроблено структурну схему, алгоритм функціонування та діаграми роботи зовнішнього формувача інформації, представлена структура розподілу інформації, яка утворюється на його виході зовнішнього формувача. Всі операції, пов”язані з обробкою та аналізом сигналів виконуються програмним шляхом.

Вірогідність і точність вимірювання визначених параметрів забезпечується калібруванням вимірювальних каналів. Цифрові канали використовуються тільки для читання і передачі цифрових даних. Всі аналогові вимірювання виконуються в ПВВ. Основними метрологічними характеристиками ПВВ є інтервал дискретизації та чутливість. Для виконання процесу калібровки ПВВ та визначення його характеристик розроблена спеціальна установка, методика калібровки та програмне забезпечення. Чутливість та ступень дискретизації визначаються за результатами багатократгних вимірювань у відповідності з формулами

де ис, т3 - відповідно, амплітуда і тривалість калібровочного сигналу (розмірність мілівольти і мікросекунди); Аср, іср - відповідно, усереднені на інтервалі реалізації амплітуда і тривалість вимірювальних сигналів (Лср, Ьср_ безрозмірні величини які представлені в цифрових кодах); М - інтервал дискретизації аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

З метою підвищення точності вимірювання температури було експериментально досліджено стандартні термопари типів ТХА і ТПП-1. Отримано апроксимаційні поліноми характеристик градуювання при температурі вільних кінців 0°С у вигляді поліномів третього степеня

ґ — а + Ь[ІІ + , (4)

де і - температура (°С); и - напруга на виході термопари (мв); а, Ь\, Ь^, -

коефіцієнти поліному.

При температурі вільних кінців відмінній від 0°С дійсне значення температури визначалось за виразом

ї — ґ + / о К. (5)

де /’, / о - відповідно, виміряне значення і значення температури, при якій проведено калібрування; К- поправочний коефіцієнт.

Для зменшення впливу сторонніх факторів значення К визначалось за результатами термічного аналізу сплаву (Си 50% + Бп 50%) при фіксованій температурі 410 °С перетворення сплаву з рідкого стану. Розроблені методика, експериментальна установка і ПМЗ дозволили уточнити співвідношення (4) і отримати чисельні значення коефіцієнтів апроксимуючих поліномів

1-а + Ь\и + ^2^^ +С/о, (6)

де /о - температура вільних кінців термопари; С- постійний коефіцієнт, значення якого залежить від типу використаної термопари, а=-2,2853, *1=25,76279, Ьг =-0,10579, Ьг =0,0168, С= 0,9771( термопара ТХА); 0=12,17795, *1=133,42272, Ь2 =-4,73161; *3=0,15994, С= 0,560 (термопара ТПП-1).

Розроблено загальну методику вимірювання та визначення акустичних параметрів матеріалів в широкому діапазоні температур. Ця методика передбачає розміщення зразка матеріалу в нагрівальній камері, програмне введення граничних умов, нагрівання зразка, автоматичне вимірювання параметрів акустичних сигналів, обробку отриманих експериментальних даних, збереження результатів у вигляді масивів даних, їх аналіз і відображеній.

В третьому розділі розглянуто питання математичної обробки відбитих сигналів. Всі операції по обробці даних виконуються в цифровій формі. Це дозволяє застосувати гнучке ПМЗ. Необхідні для визначення акустичних параметрів матеріалів енергія та потужність відбитих акустичних сигналів, з ураху-

ванням чутливості АЦП та інтервалу дискретизації, визначаються за формулами:

де £, Р - енергія і потужність сигналу (В2с і В2); Та - інтервал дискретизації; д[/- чутливість АЦП; Ап - значення п-го відліку амплітуди відбитого сигналу;

М - кількість відліків амплітуди на інтервалі існування сигналу т = ТаМ.

Регулювання періоду проходження зондуючих імпульсів дозволяє проводити статистичну обробку експериментальних даних з визначенням їх довірчого інтервалу. Результати N вимірів параметра х складають вибірку, яка розглядається як частина генеральної сукупності. Для цієї частини формуються оцінки лінійного середнього Зс та стандартного відхилення х, які визначають нормальний розподіл щільності ймовірності з параметрами

( х; 5 / & ). Цей розподіл за допомогою трансформації змінних

перетворюється в стандартний розподіл (0; 1) з якого визначаються довірчі інтервали вимірюваних величин для відповідних довірчих імовірностей. Так, наприклад, для імовірності 0,9

тобто середнє значення випадкової величини з імовірністю 90% знаходиться в межах інтервалу х = х±ІМ5^/Л^■ Якщо імовірність складає 95,5 %, то

Зс = х ± 2і / л/ЇУ , а для імовірності - 99,7 %: Зс = х ± 3$ /-//7.

Розроблена методика була опробована при проведенні експериментальних досліджень зразків з відпаленого кобальту. Дослідження проводились при кімнатній температурі, об”єм виборок становив 150 і 130 вимірювань параметрів відбитих сигналів ({/1, №, Еі, ЕІ) при амплітуді зондуючих сигналів 8 В и 5 В. Гістограмний аналіз отриманих даних свідчить, що вони розподілені за нормальним законом.

Швидкість розповсюдження ультразвукових хвиль при застосуванні імпульсного методу вимірювань визначається по часової затримці хвилі при її розповсюдженні на відому відстань. Суттєвою відмінністю розробленої ІВС є те, що вимірювана швидкість розповсюдження акустичних коливань здійснюється за результатами обчислень енергетичних характеристик сигналів.

Спотворення форми інформаційних сигналів, викликане дією шумів, завад та

Е = ТаАІІ І А«2’

(7)

(8)

м=0

Х-Х __ 5 . 5

—7=\х = хл-~г=и\ах = —г=

(9)

(10)

обумовлене дисперсними властивостями середовища розповсюдження акустичного сигналу призводить до виникнення значних похибок вимірювання часових інтервалів. В той же час спотворення форми сигналів менш впливає на положення в часі його “енергетичного центру”. На підставі цієї властивості запропоновано новий спосіб визначення швидкості звуку в матеріалах, новизна якого підтверджена позитивним рішенням на видачу патенту України. Для визначення поняття “енергетичний центр” розглядалось поняття центра мас і центра ваги твердого тіла. З геометричної точки зору зображення сигналу на площині є фігурою. Отже енергію сигналу можна розглядати як величину пропорційну площі цієї фігури. Це дозволяє застосувати поняття “центра ваги фігури” чи “енергетичного центра сигналу”. Використання цього поняття дає найбільший ефект у тих випадках, коли форма сигналу є несиметричною відносно вісі амплітуд (часове положення сигналів симетричної форми визначається, як правило, по їх характерним точкам - максимумам чи нулям). В цьому випадку єдиним параметром, що однозначно визначає положення сигналу в часі, є його енергетичний центр. Ця ідея ілюструється рис. 2, на якому зображені сигнали різної форми, з різним положенням максимумів, але з енергетичними центрами,

Рис.2. Положення енергетичних центрів сигналів різної форми

які співпадають в часі. Часове положення енергетичних центрів визначається за формулою:

turn —

І и2

.« = 0

(11)

де Ні - і-иіі відлік амплітуди в момент часу її = і ■ дґ; д/ - момент отримання і-того відліку, Лг- кількість відліків амплітуди на інтервалі існування сигналу.

Якщо положення в часі енергетичних центрів двох відбитих сигналів визначено, то інтервал часу між ними дорівнює:

/ і — Їцпі2 — 1 , (12)

де /і,мі,/і,т2 - моменти часу, що відповідають енергетичним центрам першого і другого відбитих сигналів.

Основний вклад в функціонування розробленої системи вносить ПМЗ. При

9

створенні ПМЗ був проведений аналіз інформаційних потоків (1П), що циркулюють в системі, напрямки їх передачі, призначення та структура. Загальне уявлення про інформаційні потоки ІВС дає рис. 3. Функціонування пристроїв системи на фізичному рівні забезпечується формуванням і передачею через програмно доступні регістри певних сигналів керування. Зазначені регістри розміщені на логічному рівні в єдиному адресному просторі. Можливість доступу до пристроїв на фізичному і логічному рівнях дозволяє встановити базові і проміжні параметри керування, їхнє призначення, пріоритети і напрям передачі. Управління ІП здійснюється за допомогою програмного графічного інтерфейсу користувача.

Графічний інтерфейс являє собою набір визначених панелей, що використовуються для виконання необхідних операцій керування апаратними засобами ІВС. Розглянуто структуру інтерфейсу, призначення різних рівнів і панелей керування. Інтерфейс має багаторівневу

архітектуру, а його робота здійснюється з урахуванням логіки формування послідовності переходів, які можуть відбуватись в межах кожного рівня керування, або між різними рівнями. Запропонований алгоритм керування реалізовано в ПМО системи.

В розробленій ІВС виконується вимірювання декількох різнорідних. величин: амплітуд електричних сигналів, температури, часових інтервалів, швидкості звуку і коефіцієнта загасання. З метою визначення потенційних можливостей ІВС щодо точності вимірювання і виявлення найбільш уразливих вузлів виконано аналіз похибок вимірювання.

Оскільки обробка сигналів здійснюється в цифровій формі, слід очікувати, що основною складовою похибки вимірювання є похибка квантування. Ця складова є випадковою за характером і має рівномірний закон розподілу. При проведенні калібрування ВПП визначено значення ступіней квантування АЦП - А(Уі=0,352 мв і А№=0,488 мв. Отже, средньо-квадратичні значення похибок квантування цих АЦП становлять а(С/) =0,0881 мв і а{11) =0,1410 мв.

Оскільки апроксимуючі поліноми (6), які використовуються для обчислення температури, визначені з високою точністю, похибка вимірювання температури визначається переважно похибкою вимірювання напруги. Розрахунки цієї похибки показали, що в діапазоні до 1200 °С модуль похибки визначення температури не перевищує 2°С, що цілком задовольняє вимогам практики.

Оцінка похибки визначення положення в часі енергетичних центрів сигналів проведена на модельному сигналі, який являє собою радіоімпульс з частотою заповнення^, =1 МГц, тривалістю т ~ 3/~' • огинаючою у вигляді напівхвилі

синусоїди. Для такого сигналу вираз (11) має вигляд:

*Ф'-8іп2Н) ’ (із)

де N = т ■ /а - число відліків амплітуди сигналу.

Похибка визначення положення енергетичного центра викликана двома причинами: 1) некратністю періодів Ті тд = ; 2) похибкою квантування, що

виникає при вимірюванні миттєвих значень сигналу. При моделюванні (13) встановлено, що середньоквадратичні значення цих складових похибки при N

= 14 та використаному десятирозрядному АЦП складають відповідно ст1 «15

не і ст2 *35 не. З урахуванням незалежності цих складових сумарна похибка

2 2 У

дорівнює ох =(ст, +<у2) 2 =38 не, що значно менша періоду дискретизації.

Похибка вимірювання енергії сигналу виникає за рахунок переходу від неперервного сигналу до його дискретного прототипу, тобто залежить від частоти дискретизації. Розрахунки показали, що вже при 14 відліках амплітуд сигнала середньо-квадратичне значення цієї похибки не перевищує величини

аЕ *1,5.10-3 (В2).

Оскільки визначення часового положення енергетичних центрів двох відбитих сигналів виконується одним способом, незалежно один від одного, ередньо-квадратичне значення сумарної похибки дорівнює

<*т = л/°>і + <*2і = л/2сг2і ~ 53»с-

Нагрівання тестового зразку матеріалу супроводжується зміною його лінійних розмірів. Внаслідок цього швидкість розповсюдження коливань фактично дорівнює

у 2-1(П 2-ЦІ+а-О (14)

г т .

де Іо- довжина робочої ділянки тестового зразка при нормальних умовах,

10 = 200-ш/, а - температурний коефіцієнт лінійного розширення матеріалу,

для кобальту П^-Ю^град"1, т - час розповсюдження сигналу вздовж робочої ділянки зразка (його очікуване значення г»80л«сс). Розглядаючи значення швидкості як результат непрямих вимірювань, середньоквадратичне значення похибки становить

о =

ґд^2 ^0/

0’,2+(|р) СТ'°+(£1 =~J(l + at°yaI2+iafa,i +

ту V т

де су, - середньоквадратичне значення похибки вимірювання довжини (для використаного вимірного інструменту а, = 10мкм), а, - середньоквадратичне значення похибки вимірювання температури, а, » 1 град ■

Виконані за формулою (15) розрахунки дали значення ау «0,26 м/с.

Середньоквадратичне значення похибки оцінки коефіцієнта повного відбиття акустичних сигналів уЗ визначається як

<тр =8-<7d-

D

(D2 + d2 J

■D-d-Jd2 + D2

(16)

ДЄ(Т0 - середньоквадратичне значення похибки вимірювання діаметра зразка. При розмірах 0=2 мм і сМ,6 мм, виміряних зі значенням а,, = [мкм, отримано результат а ~ 3.34.ю-4 для абсолютного значення р = 0.0481.

До складу алгоритму обчислення коефіцієнта загасання входить декілька вимірюваних незалежно одна від одної величин. Сумарна похибка вимірювання а характеризується середньоквадратичним значенням:

1

2-£; ■/

2-Е,-І

\+ Р І 2

2-Ег-1

Спростити цей вираз можна в тому випадку, якщо задати конкретні числові значення Е\ та El/El. Для £і=1 В2, ЕіІЕ2-0,\ вираз (47) має вигляд:

( 1 + р2 1 2 ( аг +

\

In-(1 - jg2)- In/? - 2.3026Y

2- Ег-1

(18)

Виконані за (18) розрахунки дозволили отримати значення оа « 0.0196 лГ1 •

Аналіз (18) свідчить про те, що найбільший внесок у сумарну похибку дає другий доданок. Тому для підвищення точності вимірювання необхідно в першу чергу підвищувати точність вимірювання (і, а, отже, точність вимірювання розмірів зразка. Отримані значення середньоквадратичних похибок свідчать про високу точність вимірювання, яка гарантується розробленою ІВС.

Розроблена установка для проведення досліджень акустичних параметрів

матеріалів складається з вимірювальної частини і нагрівального блоку. За допомогою установки отримано експериментальні залежності акустичних параметрів відпаленого кобальту від температури в широкому діапазоні її зміни. Проведена статистична обробка даних свідчить, що похибки вимірювання акустичних характеристик матеріалів по енергетичним параметрам сигналів менше, ніж у випадку їх розрахунку по амплітудним параметрам. Результати досліджень та розрахунків наведені в таблиці 1.

Таблиця 1.

Акустичні параметри відпаленого кобальту при кімнатній температурі

№ п/п Розрахунок по параметру С,м/с д,% а,м 1 <5,% Вимірів

1 Амплітуда 4745,2 0,25 7,7 1,1 100

2 Енергія 4742,4 0,12 7,6 0,9 100

Отримані за допомогою розробленої ІВС температурні залежності швидкості розповсюдження та коефіцієнту загасання акустичних коливань у відпаленому кобальті в показано на рис.4. Критерієм функціонування системи є фіксація відомого ефекту фазового перетворення при температурі 298 °С.

а б

Рис.4. Температурні залежності швидкості звуку (а) та коефіцієнту загасання звуку (б) у відпаленому кобальті.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. Розроблено новий спосіб вимірювання швидкості розповсюдження ультразвукових коливань, який грунтується на визначенні часових інтервалу між імпульсними сигналами по положенню їх енергетичних центрів.

2. Розроблено інформаційно-вимірювальну систему для визначення акустичних параметрів матеріалів в діапазоні температур: (0 -г 1200) °С .

3. Розроблено алгоритми функціонування і програмне математичне забезпечення інформаційно-вимірювальної системи, які дозволяють автоматизувати процеси вимірювання, обробки, аналізу і представлення результатів.

13

4. Створено експериментальну установку і методику визначення коефіцієнта загасання і швидкості поширення ультразвукових коливань у широкому діапазоні температур.

5. Експериментально доведено, що щільність розподілу амплітуд відбитих сигналів наближається до нормального закону розподілу. Отримано і проаналізовано експериментальні дані температурних залежностей коефіцієнта загасання і швидкості поширення ультразвукових коливань у відпаленому кобальті.

6. Виконано аналіз похибок вимірювання. Показано, що використання енергетичних характеристик сигналів дозволяє підвищити точність вимірювань коефіцієнта загасання і швидкості розповсюдження ультразвукових коливань.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1.Бабак В.П.,Филоненко С.Ф., Кришан М. Автоматизация измерений акустических свойств материалов // Праці ІИ-Ї МНПК "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. Книга 2. ’’Інформаційні технології, системи та засоби вимірювань.-Київ:УТА, 1998,-С.101-102.

2. Бабак В.П., Филоненко С.Ф., Кришан М. Исследование физикомеханических характеристик материалов акустическими методами //Технологические системы 1999.-№ 1.-С.54-59.

3. Бабак В.П., Филоненко С.Ф., Кришан М. Об измерении акустических свойств материалов //Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы.-1998.-№2.-С.84 - 87.

4. Бабак В.П., Филоненко С.Ф., Кришан М. Формирование информации в компьютерной системе измерения акустических свойств материалов //Вісник КМУЦА.-1999.-№ 1.-С. 169-173.

5. Бабак В.П.,Филоненко С.Ф., Кришан М. Цифровая обработка сигналов при определении акустических свойств материалов //Вісник КМУЦА.-1999.-№ 2.-С.133-138.

6. Поз. рішення на видачу патенту України по заявці № 99127114 від 27.12.99 р. Спосіб визначення швидкості звуку в матеріалах /Бабак В.П., Філоненко

С.Ф., Поліщук А.П., Крішан М.

7. Babak V.P., Philonenko S.F., Krischan М. About increase of accuracy measurement of acoustic properties of the materials // Prosiding of the Int. Conf. on "Actual problems of measuring technique" (Kyiv, Ukraine, 7-10 September 1998).-P182-183

Монзер Мох’д Субох Аль-Тбарі Крішан. Інформаційно-вимірювальна система визначення акустичних параметрів матеріалів,- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.11.16 - Інформаційно-вимірювальні системи. Національний

авіаційний університет, Киі'в, 2000.

В роботі на основі аналізу зв'язку акустичних і фізико-механічних характеристик матеріалів, методів вимірювання акустичних параметрів матеріалів розроблений і запропонований підхід побудови автоматизованої інформа-ційно-вимірювальної системи (ІВС), яка забезпечує одночасне вішірювання основних акустичних параметрів матеріалів - коефіцієнта загасання і швидкості розсповсюдження ультразвукових коливань в діапазоні температур (0 -г 1200) °С. Розглянута та оптимізована структура

інформаційних потоків для управління пристроями системи та обміну даними, розроблені алгоритми вимірювань акустичних параметрів материалів в широкому діапазоні температур, схеми апаратної частини ІВС, яка забезпечує оперативну зміну режимів вимірювань, а також збір та передачу вимірювальної інформації. Створено програмне математичне забезпечення ІВС, проведений аналіз похибок і експериментальні дослідження системи. Запропонований новий спосіб вимірювань швидкості розповсюдження ультразвукових коливань в матеріалах, який заснований на визначенні часового інтервалу між імпульсними сигналами по положенню їх енергетичних центрів.

Ключові слова: вимірювання, система, акустичні параметри, швидкість звуку, коефіцієнт загасання, калібровка, інформаційні потоки, програмне забезпечення.

Монзер Мох’д Субох Аль-Тбари Кришан. Информационно-измерительная система определения акустических параметров материалов.- Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - Информационно-измерительные системы.

Националь-ный авиационный университет, Киев, 2000.

В работе на основе анализа связи акустических и физико-механических характеристик материалов, методов измерения акустических параметров материалов разработан и предложен подход построения автоматизированной информационно-измерительной системы (ИИС), обеспечивающей одновремен-ное измерение основных акустических параметров материалов -коэффициента затухания и скорости распространения ультразвуковых колебаний в диапазоне температур (0ч-1200)°С. В основе построения ИИС лежит использование высоко-точных средств технологии ЬаЬСагсі. Это позволило сформулировать требования к построению структуры распределения всех функций, выполняемых в системе. Показано, что основные функции измерения, обработки данных и управления относятся к

программным средствам, что позволяет минимизировать операции, выполняемые внешними устройствами. Рассмотрена и оптимизирована структура информационных потоков для управления устройствами системы и обмена данными, разработаны алгоритмы измерений акустических параметров материалов в широком диапазоне температур, схемы аппаратной части ИИС, обеспечивающей оперативное изменение режимов измерений, а также сбор и передачу измерительной информации. Создано программное математическое обеспечение ИИС, проведен анализ погрешностей и экспериментальные исследования акустических параметров материалов с использованием разработанной системы. Достоверность и точность измерений в системе обеспечивается калибровкой каналов измерительной информации. Разработана методика калибровки с проведением статистической обработки результатов многократных измерений. Проведен статистический анализ параметров отраженных сигналов. Определено, что они подчиняются нормальным законам распределения. Это позволяет обеспечить повышение точности измерений за счет определения и установления доверительных интервалов для измеряемых велиин. Предложен новый способ измерения скорости распространения ультра-звуковых колебаний в материалах, который основан на определении временного интервала между импульсными сигналами по положению их энергетических центров.

Ключевые слова: измерение, система, акустические параметри, скорость звука, коэффициент затухания, калибровка, информационные потоки, программное обеспечение.

Monzer Mohd Suboh Al-Tbari Krisham. Informational-Measuring system of acoustic material parameters - manuscript.

Dissertation refers to the Candidate of technical sciences graduation 05.11.16-Informational Measuring Systems. National Aviation University, Kyiv, 2000.

In the work on base of connection analysis of acoustic and physic-mechanical material features, methods of measuring acoustic material parameters the concept of formation informational-measuring system (IMS), providing simultaneously measuring of the main acoustic material parameters- factor of fading and velocity of expansion of ultrasonic fluctuations in temperature range (0 4-1200) °C is elaborated and proposed. Structure of informational current for system device management and exchange given between them is studied and optimized. Algorithms of measuring acoustic material features in wide temperature rang, schemes of hardware are made. The analysis of faults IMS and experimental investigation of the system are carried out. A new method of measuring the sound velocity into the materials which have a basis to found the time interval between energetically centers of impulses signals is proposed.

Key words: measuring, system, acoustical parameters, sound velocity, factor of fading, calibration, structure of information, programm.