автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка акустического метода контроля модуля упругости высокомодульных углеродных жгутов и нитей и устройств для его реализации

На правах рукописи

< /

Салмин Сергей Анатольевич

РАЗРАБОТКА АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ЖГУТОВ и НИТЕЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Томск - 2011

4859354

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Уральский электрохимический комбинат» и обществе с ограниченной ответственностью «Новоуральский научно-конструкторский центр» Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, Шевараков Константин Константинович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Капранов Борис Иванович доктор технических наук, профессор Степанова Людмила Николаевна Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов» (г. Пермь)

Защита состоится «6» декабря 2011 г. в 15.00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: Россия, 634028, г.Томск, ул. Савиных, 7, ауд. 215 (актовый зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан « »2011 г.

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Д 212.269.09, к.т.н., доцент ——-Б.Б.Винокуров

общая характеристика работы

Актуальность работы. Задачи повышения эффективности и конкурентоспособности отечественной промышленности путем улучшения характеристик широкого спектра выпускаемых машин и агрегатов, работающих в условиях высоких удельных механических нагрузок, при одновременном снижении их веса, невозможно решить без применения современных композиционных материалов на основе углеродных волокон. Эти волокна, как правило, в виде высокомодульных углеродных жгутов и нитей (ВУЖиН), стали незаменимым конструкционным материалом, применяемым в специализированном машиностроении для атомной промышленности, авиастроении, а также в других высокотехнологичных отраслях. Одной из наиболее важных физико-механических характеристик ВУЖиН является удельный модуль упругости (УМУ). Этот параметр, в итоге, определяет основные характеристики конечных изделий из них. Имеющиеся методы и приборы контроля УМУ, используемые в промышленности, были разработаны более 30-40 лет назад и уже не отвечают современным требованиям.

Актуальность работы по разработке акустического метода контроля упругих характеристик ВУЖиН и устройств для его реализации определяется отсутствием современных экспресс-методов такого контроля, учитывающих специфику ВУЖиН, и современного приборного обеспечения, способного реализовать эти методы.

Исходя из существующей конъюнктуры производства и потребления ВУЖиН, востребованность акустических (ультразвуковых) методов и приборов экспресс-контроля их упругих характеристик и, в первую очередь, УМУ высока и будет возрастать по мере роста объема их выпуска, обуславливаемого ростом потребности в современных композиционных материалах на основе ВУЖиН.

Целью диссертационной работы является разработка акустического (ультразвукового) метода контроля удельного динамического модуля упругости (УДМУ) ВУЖиН различных типов и современного приборного обеспечения для его реализации.

Объектом исследования диссертационной работы являются ВУЖиН различных типов, наиболее востребованные в высокотехнологичных отраслях промышленности и, особенно, в специализированном машиностроении для атомной промышленности.

Предметом исследования диссертационной работы являются акустические методы контроля физико-механических свойств ВУЖиН и, в первую очередь, методы контроля их УДМУ.

Задачи исследования

1. Теоретически разработать макроструктурную модель ВУЖиН, описывающую распространение продольной ультразвуковой волны.

2. Установить функциональную взаимосвязь между УДМУ и параметрами распространения ультразвука в ВУЖиН.

3. Промоделировать процесс распространения продольной ультразвуковой волны в виде волнового пакета (ВП) по предложенной модели ВУЖиН. Оценить изменение регистрируемого акустического сигнала (АС) в зависимости от параметров модели.

4. Сравнить результаты вышеуказанного теоретического моделирования с результатами, полученными на реальных ВУЖиН. По результатам сравнения оценить степень адекватности предложенной модели.

5. Синтезировать метод акустического неразрушающего контроля УДМУ применительно к ВУЖиН, учитывающий их специфику.

6. Разработать на современной элементной базе устройства, реализующие синтезированный метод акустического контроля УДМУ.

7. Сопоставить значения УДМУ со значениями удельного статического модуля упругости (УСМУ) для наиболее распространенных типов ВУЖиН. Показать возможность использования УДМУ в качестве объективной характеристики упругих свойств ВУЖиН.

Методы исследования

В работе использовался методы математического моделирования, численного интегрирования, статистического анализа и оценочных расчетов.

Для измерения параметров АС применялись импульсная осциллография сигнала с пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).

Научная новизна

1. Модель ВУЖиН, описывающая их макроструктуру как набор параллельно идущих, тонких, несвязанных, линейно упругих стержней.

2. Результаты моделирования распространения продольной ультразвуковой волны в ВУЖиН, раскрывающие специфичные для них изменения формы регистрируемого АС.

3. Метод неразрушающего акустического измерения УДМУ для ВУЖиН сочетающий когерентное накопление АС и его регистрацию по максимуму огибающей.

4. Применение, в рамках акустического метода контроля упругих характеристик материалов, статистического критерия Неймана-Пирсона для устранения «грубых промахов» в измерениях.

5. Результаты сопоставления значений УДМУ и УСМУ для наиболее востребованных типов ВУЖиН.

Практическая ценность

1. Разработан и реализован на практике новый метод неразрушающего акустического контроля УДМУ для ВУЖиН.

2. Разработаны и серийно выпускаются современные устройства, реализующие предложенный акустический метод и позволяющие проводить оперативные измерения УДМУ у различных типов ВУЖиН.

3. Разработаны и реализованы на практике схемотехнические и алгоритмические решения, позволяющие интегрировать вышеуказанные устройства в систему управления технологическим процессом получения ВУЖиН.

4. На семи предприятиях Государственной корпорации «РОСАТОМ» реализован оперативный технологический и арбитражный контроль УДМУ при помощи этих устройств. Имеются акты о внедрении.

Защищаемые положения:

1. Представление ВУЖиН стержневой моделью, описывающей их макроструктуру как набор параллельно идущих, тонких, несвязанных, линейно упругих стержней.

2. УДМУ такого стержня является линейной функцией от одного аргумента - квадрата скорости распространения продольной акустической волны (СРПУВ).

3. Импульсная характеристика предложенной модели ВУЖиН определяется только лишь функцией плотности распределения образцов и линейным размером модели.

4. Выявленные, с помощью стержневой модели, специфичные для ВУЖиН искажения АС обуславливаются дисперсией СРПУВ по их филаментам и выражаются в увеличении его длительности и уменьшении амплитуды этого сигнала до таких значений, при которых его регистрация невозможна.

5. Предложенный акустический метод контроля УДМУ, учитывающий специфику ВУЖиН и принципиально отличающийся от классической реализации подобных методов наличием когерентного накопления АС с регистрацией времени его прихода по максимуму огибающей и оценкой достоверности регистрации с помощью критерия Неймана-Пирсона, позволяет контролировать УДМУ у подавляющего большинства этих волокон с погрешностью менее 2%.

6. УДМУ незначительно отличается от УСМУ для широкого спектра типов ВУЖиН и объективно характеризует их упругие свойства.

7. Практическая реализация предложенного автором акустического метода возможна в виде законченного изделия - измерителя модуля упругости ВУЖиН - с нормированными метрологическими характеристиками.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на всероссийской конференции «Кикоинские чтения» в ИМФ РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва, 2006г. и на IV межотраслевой научно-технической конференции НГТИ, Новоуральск, 2005г.

На разработанный способ контроля УДМУ и устройство для его реализации получен патент РФ №2281464.

Разработанные в рамках диссертационной работы устройства, реализующие предложенный метод акустического контроля (измерители типа УИМУ-1БП), внесены в Государственный реестр средств измерения (per. № 31242-06).

Эти измерители внесены в регламент №02648-01-0134 и используются на семи предприятиях Государственной корпорации «РОСАТОМ». Имеются акты о внедрении данных измерителей.

Личный вклад соискателя

Большая часть работ в рамках темы диссертации, таких, как разработка стержневой модели ВУЖиН, синтез акустического контроля, разработка схемотехники и программного обеспечения (ПО) устройств для реализации данного метода, выполнены соискателем лично. Помимо вышеуказанных работ, выполненных в рамках темы в открытом акционерном обществе «Уральский электрохимический комбинат» и обществе с ограниченной ответственностью «Новоуральский научно-конструкторский центр», автор лично участвовал в пилотном внедрении представленного им акустического метода и устройств на ряде предприятий Государственной корпорации «РОСАТОМ». Остальные результаты получены в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации 129 страниц, в том числе 23 рисунка, 9 таблиц. Список использованных источников включает 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значимость, сформулированы цель работы и ее научная новизна, изложены основные, выносимые на защиту положения, приведена краткая характеристика работы.

В первом разделе проводится анализ известных методов контроля УМУ, которые возможно применить (в некоторых случаях с большими ограничениями) для решения задачи оперативного контроля УМУ различных типов ВУЖиН. Так показано, что механические методы обладают низкой оперативностью и высокой трудоемкостью. Широко известные методы акустического контроля также не могут быть применены для данных целей, так как не учитывают специфику объекта контроля и для реализации этих методов используется устаревшее приборное обеспечение с неприемлемой методологической погрешностью измерения.

Второй раздел посвящен разработке и совершенствованию акустического импульсного метода для контроля модуля упругости углеродных волокнистых материалов, таких, как ВУЖиН.

В первой части раздела показано, что значение УДМУ тонкого линейно-упругого стержня является линейной функцией одного аргумента - квадрата

СРПУВ и выражается следующей формулой: Е = =

УД Руд рк*Г * ■ 0)

где -УДМУ,м;

Ед - динамический модуль упругости, Па; РуД- удельный вес, Н/м3; V- стержневая СРПУВ, м/с; р - плотность материала, кг/м3. Причем показано, что стержневая СРПУВ для элементарного (единичного) филамента ВУЖиН (который является физической реализацией абстракции «тонкий стержень») отличается от групповой на величину порядка 10"5 -10'6 на частоте 1 МГц. То есть, имеет место практически бездисперсионное распространение волн в филаментах. (Диаметры филаментов различных типов ВУЖиН находятся в диапазоне от 4 до 12 мкм).

Однако измерение групповой СРПУВ в целом ВУЖиН, состоящем из множества элементарных филаментов, имеет технические трудности из-за присущих им макроструктурных особенностей, суть которых раскрывает предлагаемая во второй части этого раздела стержневая модель ВУЖиН. В этой модели, с точки зрения распространения продольной ультразвуковой (акустической) волны в виде ВП, образующие ВУЖиН филаменты представлены линейно-упругими стержнями, имеющими некоторый разброс

£

\_n-i\_n~

;кий

нал ^

Зондирующий Акустический

импульс сигнал

1,2 ... 1... N-1, N - отдельные филаменты-стержни, составляющие ВУЖиН

Рисунок 1 - модель ВУЖиН в виде набора линейно-упругих стержней

упругих характеристик (и, следовательно, СРПУВ) относительно среднего значения по всем стержням модели. Этот разброс определяется технологией производства ВУЖиН, при которой невозможно обеспечить абсолютно идентичные условия обработки для всех их филаментов на различных стадиях производства. Графическое изображение предлагаемой стержневой модели приводится на рисунке 1.

В третьей части этого раздела рассматривается движение продольной ультразвуковой волны в виде ВП конечной длительности и эволюция формы регистрируемого АС. Для нахождения выражения, описывающего изменения формы регистрируемого АС при движении ВП по предложенной стержневой модели (см. рисунок 1), вводятся следующие обозначения: ивх(1) - суммарный, для всех филаментов, АС в точке х=0 (сечение 1); иЕ,'1Х(хД) - суммарный, для всех филаментов, АС в произвольной точке х; и,°х (О - ВП на единичном филаменте в точке х=0; и,81" (хД) - ВП на единичном филаменте в произвольной точке х; ^ - СРПУВ для единичного филамента; N - общее число филаментов. Тогда суммарный регистрируемый АС в произвольной точке х, например в сечении 2 (см. рисунок 1), можно записать как алгебраическую сумму отдельных ВП с каждого филамента:

и-(х,1)=2«Г(*.о=2>го-х/1'|). (2)

Проведя ряд преобразований и введя g(v) - функцию плотности распределения стержней по СРПУВ, получим выражение для суммарного АС в произвольной точке х:

-Ко

о

Выражение формы регистрируемого АС (3), после замены т=х/у и с учетом, что дифференциал <1(у) равен ¿1(у)=с1(х! т)~-ху.тг ус1(т), можно записать так:

О -к»

и""* (х, 0 = - ¡Vх 0 - г) X X X г'2 х ё(х/г)а'(г) = ^'Щ-т)хххт'2 xg(xí т)с](т).

+ао О

Далее переходим к выражению и,ых (х, 1) = |и " - г)й?г , которое является

о

сверткой двух функций: функции начального воздействия - и"(г) и функции И(т,х) = ххт~г xg(x/т), (4)

определяющей, по своей физической сути, импульсную характеристику среды (в данном случае модели ВУЖиН).

Выражение (4) наглядно показывает, что импульсная характеристика (Л(г)) предложенной модели ВУЖиН однозначно определяется функцией плотности распределения стержней -g(v) и линейным размером данной модели (X). Исходя из этого выражения, функция g(v) может быть выражена через Л(г) следующим соотношением:

г2

g(v) = g(x/т) = — xh(т,x), (5)

Моделирование распространения АС от сечения 1 до сечения 2 в виде ВП конечной длительности и высокочастотным заполнением, путем численного решения интеграла в (3), показало наличие дисперсионных искажений АС, которые увеличиваются по мере увеличения следующих факторов: координаты х, определяющей положение ВП, величины дисперсии СРПУВ и частоты заполнения ВП. Эти искажения возникают по причине формирования АС из суперпозиции ВП (суммы акустических волн) с разными фазами, идущих по отдельным филаментам, и выражаются в увеличении длительности, уменьшении амплитуды и искажению его спектра.

В подтверждении вышесказанного, на рисунке 2 пунктиром показана зависимость амплитуды АС в сечении 2 в зависимости от частоты заполняющего его колебания. На рисунках 3,4 приводятся формы и спектрограммы АС в сечении 2 в зависимости от величины и характера дисперсии СРПУВ.

Частота, МГц

— - Теоретическая зависимость амплитуды АС от частоты ........Экспериментальная зависимость амплитуды АС от частоты

Рисунок 2 - Зависимость амплитуды АС от частоты

38 40 42 44

0.0 0.5 1.0 1-5 2.0

ДУ=0.5%

1Г"(0

Рисунок 3 - Формы АС (а,в,д,ж,и) и его спектры (б,г,е,з,к) при нормальном распределении по СРПУВ в зависимости от величины ее вариации

мм)%

ДУ=0.75%

Рисунок 4 - Формы АС (а,в,д,ж,и) и его спектры (б,г,е,з,к) при равномерном распределении по СРПУВ в зависимости от величины ее вариации

В четвертой части данного раздела на основании результатов математического моделирования, полученных в предыдущей части раздела описывается синтез метода акустического контроля УДМУ применительно к ВУЖиН. Анализ характера дисперсионных искажений АС, возникающих в предложенной стержневой модели ВУЖиН, степени их влияния на точность предложенного метода и моделирование работы различных алгоритмов регистрации АС при наличии аддитивного шума позволил автору синтезировать метод акустического контроля модуля упругости ВУЖиН, учитывающий их специфику. В основе предложенного метода лежит импульсный временной метод акустического контроля СРПУВ, существенно отличающийся от своей канонической реализации наличием многократного зондирования образца с когерентным накоплением АС и регистрацией момента его прихода по максимуму огибающей. Многократное зондирование позволяет компенсировать значительное снижение амплитуды АС, а регистрация АС по максимуму его огибающей - увеличение длительности этого сигнала.

В пятой части раздела обосновывается применение статистического критерия Неймана-Пирсона для исключения грубых промахов при измерении УДМУ и рассчитываются характеристики обнаружения АС при помощи этого критерия. Технически, применение этого критерия позволяет при заданной вероятности ложных тревог (грубых промахов) - F и вероятности правильного обнаружения - D оценить требуемый уровень соотношения сигнал/шум. Так в этой части показано, что при F=1(T6 и D=0,998 соотношение сигнал/шум должно составлять 8,5.

В шестой части раздела описывается синтез алгоритмов и процедур, реализующих необходимую обработку АС в соответствии с предложенным методом и с учетом современной концепции цифровой обработки сигналов.

Итогом второго раздела является обоснование теоретической возможности контроля УДМУ ВУЖиН акустическим методом, учитывающим их специфику, синтез и детальная проработка общего алгоритма и отдельных процедур этого метода с учетом дискретного (цифрового) представления сигналов.

Третий раздел посвящен наиболее важным аспектам разработки устройств (типа УИМУ), реализующих предложенный акустический метод контроля УДМУ. В этом разделе описывается синтез схемотехнической, программной и конструктивной реализации вышеуказанных устройств, удовлетворяющих современным требованиям к приборам такого уровня, включая степень автоматизации и информатизации процесса контроля.

В первой части данного раздела формулируются основные требования к устройствам для реализации предложенного в предыдущем разделе метода акустического контроля.

Вторая часть раздела посвящена разработке схемотехники устройств для реализации предложенного акустического метода. Исходя из требований технического задания (ТЗ) на разработку, современных принципов построения информационно-измерительных систем и с учетом разработанных во втором разделе алгоритмов обработки АС, предлагается концепция схемотехники,

основанная на применении компактной встраиваемой ЭВМ (ВЭВМ) с процессорной архитектурой типа Intel х86 в промышленном исполнении в качестве базового элемента. Структурная схема, отражающая предложенную концепцию, приводится на рисунке 5. Согласно этой схеме, устройства УИМУ состоят из следующих основных узлов: ВЭВМ, состоящая из программируемого вычислителя (ПВ) и блока пользовательского интерфейса (БПИ) на основе сенсорного монитора. Эта ВЭВМ дополнена стандартными модулями расширения промышленного изготовления: высокоскоростным аналогово-цифровым преобразователем (ВАЦП), устройством вывода дискретных сигналов (УВДС) и специально разработанными электронными модулями: генератором зондирующего импульса (ГЗИ), модулем аналоговой обработки (МАО) и специализированными ПЭП с полуволновыми концентраторами. Согласованная работа этих модулей, в соответствии с заданным алгоритмом метода, реализуется с помощью ПО, которое выполняется в ПВ.

МАО - модуль аналоговой обработки; УВДС - устройство вывода дискретны* сигналов; ВАЦП - высокоскоростной аналогово-цифроаой преобразователь; ГЗИ - генератор зондирующего импульса; ПВ - программируемый вычислитель; БПИ - блок пользовательского интерфейса.

Рисунок 5 - Структурная схема устройств типа УИМУ

В третьей части раздела основное внимание уделено разработке ПЭП, специализированных для работы с ВУЖиН. Эти преобразователи представляют собой комбинацию классического прямого ПЭП промышленного изготовления и специально подобранного полуволнового концентратора.

В четвертой части раздела описана разработка кинематической схемы устройства, обеспечивающей оперативное закрепление, натяжение и прижим к ПЭП образцов ВУЖиН. Показано, что оптимальные значения растягивающего образец усилия лежат в диапазоне от 0,8 до 2,0 кгс.

В пятой части раздела описана разработка алгоритмов работы устройства в соответствии с предложенным методом акустического контроля и его схемотехнической реализацией. Работа устройства осуществляется следующим образом. Образец ВУЖиН натягивается и прижимается к приемному и излучающему ПЭП, находящихся друг от друга на фиксированном расстоянии (базе) - Ь. Процесс контроля, реализуемый благодаря ПО, находящемуся в памяти ВЭВМ, состоит из нескольких идентичных циклов. В ходе каждого цикла ГЗИ, по команде ПВ, формирует зондирующий импульс, который поступает через излучающий ПЭП в контролируемый образец и, одновременно, на один из входов МАО, где ослабляется в аттенюаторе и, пройдя через смеситель, поступает в общий усилительный тракт. В гот же тракт, через второй вход МАО, направляется и АС с приемного ПЭП; результирующий аналоговый сигнал преобразуется с помощью ВАЦП в последовательность дискретных цифровых отсчетов. Благодаря наличию УВДС, формирующего синхросигналы, преобразование в ВАЦП начинается синхронно с генерацией зондирующего импульса и длится, по крайней мере, дольше, чем максимально возможное время распространения АС по образцу. Далее дискретные цифровые отсчеты, полученные в ходе преобразования, поступают по цифровой шине в ПВ, где суммируются по соответствующим индексам с отсчетами, накопленными в предыдущих циклах, и результат запоминается. По накопленным отсчетам программным способом строится (вычисляется) огибающая, которая имеет два пика: первый из них соответствует зондирующему импульсу, а второй - АС, снятому с приемного ПЭП. На следующем шаге сравнивается отношение амплитуды пика АС к среднеквадратичному значению шума с пороговым значением, определяемым по критерию Неймана-Пирсона в соответствии с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложных тревог. Если это отношение больше порогового значения, ПО принимает решение о наличии АС, в противном случае - об его отсутствии. В случае наличия АС определяется временной интервал между пиками (максимумами) огибающей, обусловленными зондирующим и акустическим сигналами. Далее рассчитывается СРПУВ и, в конечном итоге, вычисляется, по формуле (1), значение УДМУ с последующей его индикацией и сохранением в базу данных устройства. В случае отсутствия АС индицируется сообщение «Ошб» (Ошибка) и в базу данных записывается значение «О».

В шестой части раздела описывается разработка модификаций вышеуказанного устройства. Для наиболее полного соответствия различным

сферам применения было разработано два варианта (типа) конструкции устройств. Первый вариант устройства - измеритель типа УИМУ-1БП, нацелен на оперативный контроль УДМУ при приемосдаточных испытаниях образцов ВУЖиН в промышленных объемах на предприятиях-изготовителях и потребителях ВУЖиН. Второй вариант - испытательная установка УИМУ-2П, предназначена для неразрушающего контроля УДМУ образцов ВУЖиН по их длине в процессе перемотки. Основное применение данного варианта устройства - детальный контроль УДМУ по длине образца в ходе научных исследований по оптимизации технологии получения ВУЖиН и конечных изделий из них.

В седьмой части раздела описываются наиболее важные аспекты разработки прикладного ПО вышеуказанных устройств. ПО устройств обеспечивает выполнение алгоритма предложенного акустического метода контроля, включая формирование синхронизирующих сигналов, цифровую обработку АС, расчет конечных результатов, их индицирование и сохранение в формате базы данных MS Access. Одна из частей ПО, отвечающая за измерительный алгоритм включая цифровую обработку сигнала, написана на языке программирования Visual С++ с использованием программной библиотеки Intel SPL, а другая часть, реализующая пользовательский интерфейс, документирование результатов измерения и их копирование, написана на Visual Basic. В качестве системного ПО на начальном этапе разработки использовалась операционная система типа Windows 98SE, а в последующем операционная система Windows ХР Embeded, что положительно сказалось на надежности устройств.

В восьмой части раздела раскрыты значимые аспекты метрологического обеспечения данных устройств, наиболее важным из которых является проведение специальных испытаний с целью получения статуса измерителя на устройство УИМУ-1БП (с занесением в Государственный реестр средств измерения) и разработка специализированных стандартных образцов для проверки метрологических характеристик этих устройств. Перед проведением вышеуказанных испытаний была оценена погрешность измерения на основании результатов моделирования, приведенных в первом разделе, и результатов предварительной оценки метрологических характеристик, приведенных в четвертом разделе. Эти результаты показали возможность достижения погрешности измерения УДМУ менее 1,6 %. Однако, учитывая специфику объекта контроля и техническую возможность воспроизведения заданной погрешности измерения на нескольких устройствах, целесообразно ориентироваться на величину погрешности определения УДМУ данными устройствами на уровне 2%.

В четвертом разделе описываются наиболее значимые экспериментальные исследования физико-механических свойств (в первую очередь упругих характеристик) ВУЖиН с целью проверки адекватности предложенной стержневой модели ВУЖиН и применимости УДМУ в качестве объективной характеристики упругих свойств ВУЖиН.

В первой части раздела ставятся цели и задачи экспериментальных исследований. В ходе экспериментальных исследований предполагалось достичь трех основных целей:

- проверить состоятельность предложенной модели ВУЖиН с точки зрения распространения ультразвука в них;

- оценить количество ВУЖиН (в процентах), у которых может быть определен УДМУ предложенным методом акустического контроля;

- показать сопоставимость значений УДМУ и УСМУ для широко распространенных типов ВУЖиН и возможность использования УДМУ в качестве объективной характеристики их упругих свойств.

Во второй части раздела описываются экспериментальные работы по достижению первой цели - проверке состоятельности предложенной модели ВУЖиН. В ходе работ получена экспериментальная зависимость величины затухания АС в ВУЖиН от его частоты. График зависимости амплитуды АС, прошедшего через образец ВУЖиН, от частоты показан на рисунке 2 сплошной линией. На том же графике пунктиром показана теоретическая зависимость. Приведенные экспериментальные результаты подтверждают адекватность предложенной в первом разделе стержневой модели ВУЖиН (в виде набора линейно-упругих стержней) для описания процесса распространения продольной ультразвуковой волны и обоснованность использования предложенного метода акустического контроля УДМУ.

В третьей части раздела показаны экспериментальные работы по достижению второй из вышеуказанных целей, а именно оценке той доли ВУЖиН, к которым может быть применен синтезированный метод акустического контроля. Для этого, с помощью предложенной автором оригинальной методики обработки АС, основанной на его инверсной фильтрации с последующим восстановлением импульсной характеристики образца Ь(0, и с учетом формулы, (5) проведена оценка параметра1 А у. Следует подчеркнуть, что Ду характеризует величину дисперсии СРПУВ в образце и определяет, в конечном итоге, погрешность предложенного метода измерения УДМУ.

Эта оценка параметра Ду у группы образцов позволяет сделать следующие выводы:

- для 97,6 % образцов значение Ду составляет менее 0,75% и погрешность определения УДМУ будет менее 1,6 %;

- для 0,8 % образцов значение Ду находится в диапазоне 0,75 до 1,0% и погрешность определения УДМУ составит менее 2,0 %;

1,6 % от общего числа образцов имеют столь значительное затухание ультразвука (обусловленное, по всей видимости, значительной дисперсией СРПУВ), что не удалось зафиксировать АС и, следовательно, невозможно измерить УДМУ (ограничение акустического метода контроля). Таким

1 Параметр Ду является коэффициентом вариации СРПУВ по филаментам ВУЖиН

17

образом, не менее 98,4% ВУЖиН может быть проконтролировано предложенным методом.

В четвертой части раздела раскрывается содержание и результаты исследовательских работ, направленных на достижение третьей из вышеуказанных целей, суть которой в подтверждении возможности использования УДМУ в качестве объективной характеристики упругих свойств ВУЖиН. В этой части приводятся результаты контроля УДМУ и УСМУ (акустическим и механическим методами соответственно) четырех наиболее распространенных типов ВУЖиН отечественного производства. Корреляционный анализ полученных результатов приводится в таблице 1, графики линейных зависимостей УДМУ от УСМУ показаны на рисунке 6.

Таблица 1 - результаты корреляционного анализа значений УДМУ и

УСМУ для различных типов ВУЖиН

Номер графика Тип ВУЖиН Формула линейной зависимости Коэффициент корреляции Диапазон Еус, км Количество образцов, шт

1 ВМН-4М Еуд=1,034хЕус+327 0,94 17000-28500 155

4 ВМН-4МТ Еуд=1,02хЕус-209 0,98 13600-28000 124

3 ГЖ23/550К Еуд=0,87Еус+3260 0,85 19200-27500 126

5 Кулон-К Еуд=1,0002хЕус 0,89 19000-26000 279

2 Совокупная, для всех ВУЖиН Еу д=0,92Еус+1793 0,95 13600-28500 8132

Анализ результатов показывает, что эти зависимости находятся в пределах коридора в 1300 км в диапазоне значений УСМУ от 16000 до 24000 км. Наиболее вероятная причина расхождений между УДМУ и УСМУ -специфичные для каждого типа ВУЖиН дефекты структуры филаментов и количество этих дефектов, обусловливаемое исходным сырьем и технологией получения этих ВУЖиН и релаксационными процессами, которые сопутствуют возбуждаемым в образце акустическим колебаниям.

При необходимости формула пересчета между УДМУ и УСМУ может быть получена практически для любого типа ВУЖиН на основе небольшого количества экспериментальных данных. Таким образом, УДМУ является объективной характеристикой упругих свойств ВУЖиН и может применяться для оценки упругих характеристик конечных изделий из них.

2 В совокупную зависимость включены прочие типы ВУЖиН, которые в данной таблице отдельно не показаны

14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000

УСМУ. км

Рисунок 6 - линейные зависимости между УСМУ и УДМУ

Пятый раздел посвящен раскрытию наиболее важных аспектов апробации и внедрения акустических методов контроля модуля упругости и устройств, их реализующих, типа УИМУ-1БП, как в условиях опытной эксплуатации в ООО «ННКЦ», так и при промышленном использовании на ряде предприятий. В этом разделе раскрывается содержание работ по оценке характеристик и доводке устройств типа УИМУ-1БП в ходе их опытной эксплуатации.

В первой части данного раздела раскрываются аспекты опытной эксплуатации устройств типа УИМУ-1БП в ООО «ННКЦ». Основной целью опытной эксплуатации устройств типа УИМУ-1БП и УИМУ-2П являлась оценка соответствия их основных характеристик требованиям технического задания.

Во второй части раздела описываются значимые аспекты промышленной эксплуатации измерителей УИМУ-1БП на трех предприятиях и комплексная оценка характеристик этих устройств во время этой эксплуатации в течение одного года.

Оценка проводилась по четырем нижеприведенным критериям:

- конструкция и эргономика измерителей;

- эксплуатационная надежность измерителей;

- стабильность метрологических характеристик измерителей;

- сопоставимость результатов контроля УДМУ между предприятиями. По всем вышеприведенным критериям получены положительные оценки,

а выявленные незначительные замечания, касательно пользовательского интерфейса измерителей и работы механизмов для зажима образцов, были оперативно устранены.

В третьей части раздела проводится сравнительный анализ технико-экономических характеристик предложенного автором акустического метода контроля модуля упругости и традиционно используемого для этих целей механического метода. Результаты анализа приводятся в таблице 2.

Таблица 2 - технико-экономические характеристики методов

Параметр метод

акустический механический

Время выполнения' единичного измерения, мин <3 З603

Погрешность измерения, % 2 3

Относительная трудоемкость, % От 30 до 50 100

Трудоемкость технического обслуживания, ч/год 25 15

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

3 Большую часть этого времени занимает приготовление микропласгика. Как правило, микропластик делается для нескольких образцов сразу, однако результат получается ие ранее, чем через 6 часов

Основные результаты и выводы

В результате выполнения данной работы решена задача оперативного контроля и измерения модуля упругости ВУЖиН.

1. Для анализа процесса распространения продольной акустической (ультразвуковой) волны в ВУЖиН предложена модель, в которой составляющие их филаменты заменены набором линейно-упругих стержней. Показано, что импульсная характеристика предложенной стержневой модели ВУЖиН определяется только лишь функцией плотности распределения стержней по СРПУВ и линейным размером модели; УДМУ упругого тонкого стержня является линейной функцией от одного аргумента - квадрата СРПУВ.

2. Моделирование распространения продольных акустических волн по ВУЖиН показало наличие существенных дисперсионных искажений АС, которые выражаются в увеличении длительности и уменьшении амплитуды этого сигнала до таких значений, при которых его регистрация невозможна, что, в свою очередь, делает невозможным определение СРПУВ и, следовательно, величины УДМУ акустическим методом.

3. По результатам моделирования и анализа характера вышеуказанных дисперсионных искажений разработан акустический метод, учитывающий специфику ВУЖиН (значительные дисперсионные искажения АС) и существенно отличающийся от своих классических реализаций наличием когерентного накопления АС с регистрацией времени его прихода по максимуму огибающей и применением статистического ккритеря Неймана-Пирсона. В итоге, с помощью разработанного метода возможно достоверно контролировать УДМУ не менее чем у 98% ВУЖиН при погрешности контроля менее 2%.

4. Показанная сопоставимость результатов УСМУ и УДМУ позволяет воспринимать значение УДМУ, как объективную характеристику упругих свойств ВУЖиН в широком спектре их марок и типов. Получены формулы линейных зависимостей между УДМУ и УСМУ для пяти типов ВУЖиН.

5. Разработанный в рамках темы данной работы измеритель модуля упругости углеродных жгутов и нитей типа УИМУ-1БП занесен в Государственный реестр средств измерения. Вышеуказанные измерители используются на восьми предприятиях. Внедрение этих приборов в значительной степени способствовало решению трех важных производственных задач:

- организации приемосдаточных испытаний ВУЖиН на предмет величины УДМУ;

- осуществлению оперативного технологического контроля УДМУ на различных стадиях производства ВУЖиН;

- повышению качества исследовательских работ по улучшению характеристик существующих типов ВУЖиН, созданию новых типов и конечных изделий.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Патент Я11 2281464 С2 вОШ 5/00. Способ измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях и устройство для его осуществления / Салмин С. А. и др. (Федеральное государственное унитарное предприятие Уральский электрохимический комбинат). - № 2004120078/28; Заявл. 01.07.2004 // Изобретения (Заявки и патенты). - 2006. - № 22.

2. Салмин, С. А. Автоматизированный комплекс для контроля модуля упругости углеродных жгутов / С. А. Салмин., К. К. Щевараков // Автоматизация и прогрессивные технологии: Труды IV межотраслевой научно-технической конференции. — Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2005. — С. 34-37.

3. Исследование взаимосвязи между статическим удельным модулем упругости на растяжение жгута ВМН—4М в микропластике и его динамическим удельным модулем упругости: отчет по НИР / УЭХК. Руководитель Сапсай К. Г., отв. исполн. Салмин С. А. Инв. 20/6446. Новоуральск, 1999 - 28л.

4. С. А. Салмин, К. К. Шевараков, С. Н. Новаков. О разработке и применении стандартных образцов при измерении параметров углеродных жгутов и нитей // Стандартные образцы. — 2007. — №4. — С. 26-29.

5. Разработка и применение акустического метода контроля модуля: отчет по НИР / ООО «ННКЦ». Руководитель Шевараков К. К., отв. исполн. Салмин С. А. Инв. НКЦ/9734. Новоуральск, 2008. — 68л.

6. С. А. Салмин, К. К. Шевараков. О соотношении между динамическим и статическим модулем упругости некоторых типов углеродных волокон. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2010. — №10. — С. 3436.

7. С. А. Салмин, К. К. Шевараков. Разработка измерителя модуля упругости углеродных волокн, реализующего акустический метод// Приборы. —2011—№4—С. 4-10.

Подписано к печати 24.102011. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл.печл. 1,22. Уч.-изд.л. 1,10.

_Заказ 1535-11. Тираж 100 экз._

Томский политехнический университет п.

Система менеджмента качества Кк

Томского политехнического университета сертифицирована Им NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008

ишшьствожш. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Тел./факс: 8(3822)56-38-63, www.tpu.ru

перечень терминов и сокращений.

Введение.

1 Обзор известных способов контроля УМУ углеродных волокнистых материалов.

2 Разработка акустического метода контроля модуля упругости ВУЖиН.

2.1 Физические основы акустического метода контроля модуля упругости.

2.2 Синтез макроструктурной модели ВУЖиН.

2.3 Моделирование распространения ультразвуковой волны в предложенной модели ВУЖиН.

2.4 Разработка акустического метода контроля СРПУВ применительно к ВУЖиН.

2.5 Применение статистических критериев с целью исключения грубых промахов при применении предложенного акустического метода.

2.6 Некоторые аспекты реализации алгоритмов предложенного акустического метода.

2.7 Выводы по разделу 2.

3 Аспекты разработки устройств типа УИМУ, реализующих предложенный акустический метод контроля модуля упругости.

3.1 Требования к реализации контрольно-измерительной части устройств.

3.2 Синтез оптимальной реализации схемотехники устройств.

3.3 Разработка специализированных ПЭП.

3.4 Разработка кинематической схемы устройства.

3.5 Синтез алгоритма работы устройств, реализующих предложенный метод.

3.6 Разработка модификаций устройств, реализующих акустический метод.

3.7 Разработка программного обеспечения устройств.

3.8 Разработка метрологического обеспечения устройств УИМУ.

3.9 Выводы по разделу 3.

4 Экспериментальные исследования некоторых типов ВУЖиН.

4.1 Цели и задачи экспериментальных исследований.

4.2 Исследование зависимости степени ослабления ультразвука в

ВУЖиН от его частоты.

4.3 Оценка статистического распределения образцов ВУЖиН в зависимости от дисперсии СРПУВ.

4.4 О соотношении между УДМУ и УСМУ.

4.5 Выводы по разделу 4.

5 Некоторые аспекты апробации и внедрения акустического метода контроля модуля упругости и устройств для его реализации.

5.1 Опытная эксплуатация устройств типа УИМУ-1БП и УИМУ-2П.

5.2 Промышленная эксплуатация измерителей УИМУ-1БП.

5.3 Сравнение технико-экономических характеристик акустического и механического метода контроля модуля упругости ВУЖиН.

5.4 Выводы по разделу 5.

Модернизация и повышение конкурентоспособности отечественной промышленности требуют улучшения характеристик широкого спектра выпускаемых машин и агрегатов, работающих в условиях высоких удельных механических нагрузок, что невозможно достичь без применения современных композиционных материалов на основе УВ. Эти волокна, как правило, в виде ВУЖиН представляют собой обширный класс конструкционных материалов, обладающих уникальными физико-механическими характеристиками, наиболее важной из которых является УМУ. Данный параметр ВУЖиН, в итоге, определяет основные характеристики конечных изделий из них. Имеющиеся методы и приборы контроля УМУ, используемые в промышленности, были разработаны более 30-40 лет назад и уже не отвечают современным требованиям.

Таким образом, актуальность работы по разработке акустического метода контроля упругих характеристик ВУЖиН и устройств для его реализации определяется отсутствием современных экспресс-методов такого контроля, учитывающих специфику ВУЖиН, и современного приборного обеспечения, способного реализовать эти методы. Исходя из существующей конъюнктуры производства, потребления и контроля упругих характеристик ВУЖиН, востребованость акустических (ультразвуковых) методов и приборов экспресс контроля упругих характеристик и, в первую очередь, УМУ различных типов ВУЖиН высока и будет возрастать.

Целью диссертационной работы является разработка акустического (ультразвукового) метода контроля УМУ ВУЖиН различных типов и современного приборного обеспечения для его реализации.

Объектом исследования диссертационной работы являются ВУЖиН различных типов, наиболее востребованные в высокотехнологичных отраслях промышленности и, особенно, в высокоточном машиностроении для атомной промышленности.

Предметом исследования диссертационной работы являются акустические методы контроля физико-механических свойств ВУЖиН и, в первую очередь, методы контроля их УМУ.

Задачи исследования:

1. Теоретически разработать макроструктурную модель ВУЖиН, описывающую распространение продольной ультразвуковой волны.

2. Определить вид функциональной взаимосвязи между УДМУ и параметрами распространения ультразвука в ВУЖиН.

3. Промоделировать процесс распространения продольной ультразвуковой волны в виде ВП по предложенной модели ВУЖиН. Оценить изменение АС в зависимости от параметров модели.

4. Сравнить результаты вышеуказанного теоретического моделирования с результатами, полученными на реальных ВУЖиН. По результатам сравнения оценить степень адекватности предложенной модели.

5. Разработать метод акустического неразрушающего контроля УДМУ применительно к ВУЖиН, учитывающий их специфику.

6. Разработать на современной элементной базе устройства, реализующие синтезированный метод акустического контроля УДМУ.

7. Сопоставить значения УДМУ со значениями УСМУ для наиболее распространенных типов ВУЖиН. Показать возможность использования УДМУ в качестве объективной характеристики упругих свойств ВУЖиН.

Научная новизна

1 Модель ВУЖиН, описывающая их макроструктуру как набор параллельно идущих, тонких, несвязанных, линейно упругих стержней.

2 Результаты моделирования распространения продольной ультразвуковой волны в ВУЖиН, раскрывающие специфичные для них изменения формы регистрируемого АС.

3. Метод неразрушающего акустического измерения УДМУ для ВУЖиН сочетающий когерентное накопление АС и его регистрацию по максимуму огибающей.

4. Применение, в рамках акустического метода контроля упругих характеристик материалов, статистического критерия Неймана-Пирсона для устранения «грубых промахов» в измерениях.

5. Результаты сопоставления значений УДМУ и УСМУ для наиболее востребованных типов ВУЖиН.

Практическая ценность

1. Создан метод неразрушающего акустического контроля УДМУ для ВУЖиН.

2. Разработаны и серийно выпускаются современные устройства, реализующие предложенный акустический метод и позволяющие проводить прямые измерения УДМУ для различных типов ВУЖиН.

3. На семи предприятиях Государственной корпорации «РОСАТОМ» реализован оперативный контроль УДМУ при помощи этих устройств. Имеются акты о внедрении.

Защищаемые положения:

1. Представление ВУЖиН стержневой моделью, описывающей их макроструктуру как набор параллельно идущих тонких, несвязанных, линейно упругих стержней.

2. УДМУ тонкого стержня является линейной функцией от одного аргумента - квадрата СРПУВ.

3. Импульсная характеристика предложенной модели ВУЖиН определяется только лишь функцией плотности распределения стержней по СРПУВ и линейным размером модели.

4. Выявленные, с помощью стержневой модели, специфичные для ВУЖиН искажения АС обуславливаются дисперсией СРПУВ по их филаментам, и выражаются в увеличении его длительности и уменьшении амплитуды этого сигнала до таких значений, при которых его регистрация невозможна.

5. Предложенный акустический метод контроля УДМУ, учитывающий специфику ВУЖиН и принципиально отличающийся от классической реализации подобных методов наличием когерентного накопления АС с регистрацией времени его прихода по максимуму огибающей и оценкой достоверности регистрации с помощью критерия Неймана-Пирсона, позволяет контролировать УДМУ у подавляющего большинства этих волокон (ВМН-4МТ) с погрешностью менее 2%.

6. УДМУ незначительно отличается от УСМУ для широкого спектра типов ВУЖиН и объективно характеризует их упругие свойства.

7. Практическая реализация предложенного автором акустического метода возможна в виде законченного изделия - измерителя модуля упругости ВУЖиН - с нормированными метрологическими характеристиками.

Апробация работы и публикации:

Результаты работы докладывались на всероссийской конференции «Кикоинские чтения» в ИМФ РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва, 2006г. и на IV межотраслевой научно-технической конференции НГТИ, г. Новоуральск, 2005г.

На разработанный способ контроля УДМУ и устройство для его реализации получен патент РФ №2281464.

Разработанные в рамках диссертационной работы устройства, реализующие предложенный метод акустического контроля (измерители типа УИМУ-1БП), внесены в Государственный реестр средств измерения.

Эти измерители внесены в регламент №02648-01-0134 и используются на семи предприятиях Государственной корпорации «РОСАТОМ». Имеются акты о внедрении данных измерителей.

Результаты работы, как в целом, так и по частям, изложены в публикациях:[48; 49; 68; 69; 70; 79; 84; 88].

Личный вклад соискателя

Большая часть работ в рамках темы диссертации, таких, как разработка стержневой модели ВУЖиН, разработка метода акустического контроля, разработка схемотехники и ПО устройств для реализации данного метода, выполнены соискателем лично. Помимо вышеуказанных работ, выполненных в рамках темы на ОАО «УЭХК» и ООО «ННКЦ», автор лично участвовал в пилотном внедрении представленных им акустических методов и устройств на ряде предприятий Государственной корпорации «РОСАТОМ». Остальные результаты получены в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации 129 страниц, в том числе 23 рисунка, 9 таблиц. Список использованных источников включает 92 наименования.

5.4 Выводы по разделу 5

Разработанные для контроля УДМУ устройства соответствуют требованием ТЗ в полном объеме.

Оценка стабильности метрологических характеристик устройств УИМУ подтверждает обоснованность аттестованной величины основной погрешности этих устройств, равной 2 %.

Недостатки, выявленные в ходе опытной эксплуатации этих устройств, устранены, конструкторская документация актуализирована.

Промышленная эксплуатация измерителей типа УИМУ-1БП не выявила существенных недостатков, препятствующих их использованию в качестве объективного средства контроля УДМУ в промышленных объемах применительно к ВУЖиН. Акты о внедрении приводятся в приложении Д.

Технико-экономические характеристики предложенного автором метода значительно превосходят характеристики ранее использованной методики контроля модуля упругости ВУЖиН в микропластике.

Заключение

Имеющаяся потребность в новых методах и приборах, которые в силу своих технических характеристик могли бы обеспечить экспресс-контроль УДМУ для широкого спектра ВУЖИН как в ходе технологического процесса их получения, так и при приемосдаточных испытаниях на заводах изготовителях и потребителях этого класса материалов, обусловила необходимость разработки акустического метода измерения этого параметра и реализацию метода в простом и удобном в применении приборе, обеспечивающем высокую точность измерений и получение результата в режиме «реального времени». При выполнении данной работы, направленной на достижение вышеуказанной цели, потребовалось решить ряд частных задач:

1. Для анализа процесса распространения продольной акустической (ультразвуковой) волны в ВУЖиН предложена модель, в которой составляющие их филаменты заменены набором линейно-упругих стержней. Показано, что импульсная характеристика предложенной стержневой модели ВУЖиН определяется только лишь функцией плотности распределения стержней по СРПУВ и линейным размером модели; УДМУ упругого тонкого стержня является линейной функцией от одного аргумента - квадрата СРПУВ.

2. Моделирование распространения продольных акустических волн по ВУЖиН показало наличие существенных дисперсионных искажений АС, которые выражаются в увеличении длительности и уменьшении амплитуды этого сигнала до таких значений, при которых его регистрация невозможна, что, в свою очередь, делает невозможным определение СРПУВ и, следовательно, величины УДМУ акустическим методом.

3. По результатам моделирования и анализа характера вышеуказанных дисперсионных искажений разработан акустический метод, учитывающий специфику ВУЖиН (значительные дисперсионные искажения АС) и существенно отличающийся от своих классических реализаций наличием когерентного накопления АС с регистрацией времени его прихода по максимуму огибающей. Применение статистического критерия Неймана-Пирсона при регистрации АС позволило исключить, с требуемой вероятностью, грубые промахи при измерении УДМУ. В итоге, с помощью разработанного метода возможно достоверно контролировать УДМУ не менее чем у 98% ВУЖиН типа ВМН-4МТ при погрешности контроля менее 2%.

4. Показанная сопоставимость результатов УСМУ и УДМУ позволяет воспринимать значение УДМУ как объективную характеристику упругих свойств ВУЖиН в широком спектре их марок и типов. Получены формулы линейных зависимостей между УДМУ и УСМУ для пяти типов ВУЖиН.

5. Разработанный в рамках темы данной работы измеритель модуля упругости углеродных жгутов и нитей типа УИМУ-1БП занесен в Государственный реестр средств измерения. Погрешность данного прибора в 1,5 раза меньше, чем погрешность методики определения модуля упругости в микропластике, применяемой раннее на ряде предприятий, при этом оперативность проведения контроля в несколько раз выше. Измерители УИМУ-1БП используются как на предприятиях, производящих и потребляющих ВУЖиН в качестве арбитражного средства контроля величины УДМУ, так и в инжиниринговых центрах для НИОКР по оптимизации технологии производства ВУЖиН и изделий из них. Всего изготовлено и продано 16 измерителей данного типа, которые успешно эксплуатируются на пяти промышленных предприятиях и в двух инжиниринговых центрах, входящих в Государственную корпорацию «РОСАТОМ».

Внедрение этих приборов в значительной степени способствовало решению трех важных производственных задач:

- организации приемосдаточных испытаний ВУЖиН на предмет величины УДМУ;

- осуществлению оперативного технологического контроля УДМУ на различных стадиях производства ВУЖиН;

- повышению качества исследовательских работ по улучшению характеристик существующих типов ВУЖиН, созданию новых типов и конечных изделий из них преимущественно для нужд атомной отрасли.

В заключение автор хочет выразить благодарность тем, без кого выполнение данной работы было бы неосуществимо.

Автор выражает глубокую признательность своему научному и по счастливому совпадению непосредственному руководителю К. К. Шеваракову за участие в профессиональной деятельности автора по данной работе.

Автор благодарит генерального директора ООО "ННКЦ" П.В. Баженова, главного технолога К. Г. Сапсая, а также руководство ОАО "УЭХК" за предоставленные возможности для выполнения диссертационной работы.

Автор выражает благодарность администрации и коллективу ООО «ЗУКМ» за помощь в пилотном внедрении методов и устройств акустического контроля продукции на этом предприятии.

Автор считает необходимым поблагодарить руководителя метрологической службы ОАО «УЭХК» С. Н. Новакова и начальника лаборатории ФГУП УНИИМ В. В. Казанцева за неоценимую помощь в подготовки и проведении испытаний разработанных устройств с целью утверждения их как средства измерения.

Автор благодарит автора известной монографии д.т.н. В. Я. Варшавского за короткие по времени, но очень емкие по содержанию беседы о некоторых аспектах строения УВ и технологии их производства.

Автор благодарит начальника лаборатории ФМИ Б. Д. Маранца за ценные замечания по тексту работы и консультации по некоторым аспектам микроструктуры ВУЖиН.

Автор выражает большую благодарность А. М. Мышинскому за организацию и И. В. Галиахматову за непосредственное участие в конструкторской проработке механический части устройств, разработанных в рамках данной работы.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить весь коллектив отдела РТИРКМ ООО «ННКЦ» и Н. А. Шибаленкова за существенную помощь в выполнении экспериментальных работ.

Автор признателен коллегам из группы РНСИ за помощь в выполнении ряда технических работ.

1. Конкин, А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы / А. А. Конкин. — М.: 1974.

2. Варшавский, В. Я. Углеродные волокна / В. Я. Варшавский. — М.: 2005, —467 с.

3. Синамура, С. Углеродные волокна / С. Синамура; перевод с японского канд. физ. мат. наук Ю.М. Товмасяна; под редакцией канд. техн. наук Э.С. Зеленского. — М.: Мир, 1987. —304с.

4. ТУ 48-4805 117 05. Углеродный жгут марки ВМН-4М.

5. ГОСТ 28007—88. Нить и жгут СВМ высокомодульные технические. М.: Издательство стандартов, 1989—14 с.

6. ГОСТ 28008—88. Нить углеродная конструкционная. М.: Издательство стандартов, 1989—10 с.

7. ГОСТ 25.601-80. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. 9 с.

8. ASTM D4018. Test Methods for Properties of Continuous Filament Carbon and Graphite Fiber Tows. 7P

9. Пат. 2205387 Российская Федерация, МПК7 G01N024/10. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ УГЛЕРОДНЫХ ЖГУТОВ/ Конев С.Ф., Шибаленков H.A., Шибаленков Д.Н.; заявитель и патентообладатель Уральский государственный технический университет.- № 2001113361/28.

10. Конев С.Ф. Конев A.C. Байтимиров Д.Р. Способ измерения модуля упругости углеродных жгутов//Химические волокна,2007. N1.-с.57-59.11. .Ландау, Л.Д. Теория упругости / Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц М.: Наука,1975г.

11. Морз, Ф. Колебания и звук, пер. с англ., М. —Л., 1949.

12. Кольский, Г. Волны напряжения в твердых телах / Г. Кольский пер. с англ. — М.: Иностранная литература 1955. — 194 с.

13. Красильников, В. А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику/ В. А. Красильников, В. В. Крылов. — М.; Наука, 1984. — 400 с.

14. Труэлл, Р. Ультразвуковые методы в физике твёрдого тела / Р. Труэлл, Ч. Эльбаум, Б.Чик. — М.: Мир, 1978. — 400 с.

15. Михайлов, И. Г. Основы молекулярной акустики / И. Михайлов, В. Соловьев, Ю. Сырников. —М.: Наука, 1964.

16. В. Ф. Ноздрев, Н.В. Федорищенко. Молекулярная акустика. — М. : Высш. шк., 1974.— 288 с.

17. Гринченко В. Т. Гармонические колебания и волны в упругих телах / Гринченко В. Т., Мелешко В. В.— Киев : Наук, думка, 1981.— 284 с.

18. ГОСТ 23829—85 Акустический неразрушаюгций контроль: Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1986—18 с.

19. Дейвис, Р. М. Волны напряжений в твердых телах Перевод с английского М. И. Гусейн-Заде Под редакцией Г. С. Шапиро / Р. М. Дейвис М.: издательство иностранной литературы, 1961.— 104 с.

20. Бергман, Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Л. Бергман, Изд. 2-е. — М.: Иностранная литература, 1967.

21. Кайно, Г. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. М,; Мир, 1990.

22. Электронная аппаратура ультразвуковых установок для исследования свойств твердого тела / М. А. Криштал и др.. — М.: Энергия, 1974.— 224 с.

23. Колесников, А. Е. Ультразвуковые измерения / А. Е. Колесников. — М.: Издательство стандартов, 1970.

24. ГОСТ Р 52007-2003 Изделия углеродные. Акустические методы контроля. Определение скорости распространения акустических волн. М.: Издательство стандартов, 2004. — 11с.

25. Гусев, В. Э. Лазерная оптоакустика / В. Э. Гусев, А. А. Карабутов М.: Наука. 1991. — 304 с.

26. Исследование упругих свойств однонаправленных графито-эпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. / А. А. Карабутов и др. // Механика композитных материалов. 1998. Т.34(6). С.811.

27. Ablett, S. J.; Dyer, P. E.; Tait, B. L.; Barnes, J. A. Velocity measurements in polyetheretherketone carbon fiber composite using excimer laser generated ultrasound.//Applied Physics Letters, Dec 1991. Volume: 59, Issue:25. -p.3236 3238.

28. W.N. Reynolds. Ultrasonic wave velocities in carbon-fibre reinforced plastics //Non-Destructive Testing. April 1974,Volume 7, Issue 2. p. 74-75.

29. Ерофеев, В. И. Волны в стержнях. Дисперсия. Диссипация. Нелинейность / В. И. Ерофеев, В. В. Кажаев, Н. П. Семерикова.—М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 208 с.

30. Справочник физических величин / А. Г. Рябинин. — Под ред. проф. Рябинина. —СПб.: Лениздат Союз, 2001. — 159 с.

31. Гулд, X. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть 1 : Пер. с англ./ X. Гулд, Я. Тобочник. — М.:Мир, 1990,—349с.

32. Гулд, X. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть 2: Пер. с англ./ X. Гулд, Я. Тобочник. — М.:Мир, 1990,—400с.

33. Поршнев, С. В. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием пакета MathCad. Учебное пособие/ С. В. Поршнев.— М: Горячая линия-Телеком, 2002. — 252 с.

34. Поршнев, С. В. Компьютерное моделирование физических систем с использованием пакета MathCad. Учебное пособие/ С. В. Поршнев,— М: Горячая линия-Телеком, 2004. — 320 с.

35. Физическая акустика. Под редакцией У. Мэзона. том 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Часть А. перевод с английского под редакцией Розенберга Л. Д, М.: Мир, 1966— 592 с.

36. Василенко, Г.И. Теория восстановления сигналов / Г.И. Василенко. — М.: Сов. радио, 1979. — 272 с.

37. Кривошеев, В.И. Инверсная фильтрация с применением современных цифровых методов спектрального анализа / В.И. Кривошеев, И.В.Никулин // Труды седьмой научной конференции по радиофизике. — Нижний Новгород.: ТАЛАМ, 2003, — С. 136— 137.

38. Кук, Ч. Радиолокационные сигналы / Ч. Кук., М. Бернфельд. — М.: Сов. радио, 1971. —567с.

39. Лезин, Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов / Ю.С. Лезин. — М.: Сов. радио, 1963. — 319 с.

40. Тихонов, В. И. Оптимальный прием сигналов / В. И.Тихонов. — М.: Радио и связь, 1983. — 320 с.

41. Левин, Б.Р. Теоретические основы статической радиотехники. В трех книгах. Книга вторая изд. 2-е, перераб. и доп. / Б.Р. Левин. — М.: Сов. радио, 1975,— 320 с.

42. Андриянов, A.B. Цифровая обработка информации в измерительных приборах и системах / А. Андриянов, И. Шпак. — Мн.: Выш. шк., 1987. — 176 с.

43. Рапопорт, М. Б. Вычислительная техника в полевой геофизике: Учебник для вузов / М.Б. Рапопорт. — М.: Недра, 1993. — 350 с.

44. Сосулин, Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов / Сосулин Ю.Г.— М.: Сов. радио, 1978. — 320 с.

45. Левин, Б. Р. Теоретические основы статической радиотехники. В трех книгах. Книга первая изд. 2-е, перераб. и доп. / Левин Б.Р. — М., Сов. радио, 1975.— 320 с.

46. Фалькович, С. Е., Хомяков Э. Н. Статистическая теория измерительных радиосистем / С. Е. Фалькович, Э.Н.Хомяков. — М.: Радио и связь, 1981 —288 с.

47. Пат. 2281464 Российская Федерация, МПК7 G01H 5/00. Способ измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях и устройство для его осуществления / Салмин С. А. и др.; заявитель и патентообладатель- ФГУП

48. Уральский Электрохимический комбинат». №2004120078/28; Заявл. 01.07.2004 // Изобретения (Заявки и патенты). 2006. - № 22.

49. Разработка и применение акустического метода контроля модуля: отчет по НИР / ООО «ННКЦ». Руководитель Шевараков К. К., отв. исполн. Салмин С. А. Инв. НКЦ/9734. Новоуральск, 2008.- 68л.

50. Цифровые информационно-измерительные системы: Теория и практика / А.Ф. Фомин, О.Н. Новоселов, К.А. Победоносцев, Ю.Н. Чернышов; Йод ред. А.Ф. Фомина, О.Н. Новоселова. — М.: Энергоатомиздат, 1996.—448 с.

51. Ван Трис, Г. Л. Теория обнаружения, оценок и модуляций: В 4 т.: Пер. с англ. Под ред. В. И. Тихонова. Т. 1 Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции / Г. Л. Ван Трис; М.: Сов. радио, 1972. — 744 с.

52. Куликов, Е. И. Оценка параметров сигналов на фоне помех. / Е. И. Куликов, А.П. Трифонов. — М.: Сов. радио, 1978. — 296 с.

53. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И. Н. Ермолаева. М., Машиностроение, 1986. - 280 с.

54. Лезин, Ю. С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем / Ю.С. Лезин. — М: Радио и связь, 1986. — 279 с.

55. Левин, Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б.Р. Левин.—М.: Радио и связь, 1989. —656 с.

56. Урковиц. Обнаружение неизвестных детерминированных сигналов по энергии / Урковиц.// ТИИЭР. —1967. Т. 55. № 4. С. 50—59.

57. Трифонов, А.П., Костылев В. И. Энергетическое обнаружение узкополосных радиосигналов на фоне шума неизвестной интенсивности // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. — 2002. — Т. 45. — № 6. — С. 538—547.

58. Костылев, В. И. Характеристики энергетического обнаружения квазидетерминированных радиосигналов // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. — 2000. Т. 43. — № 10. — С. 926—932.

59. Помехоустойчивость типового тракта обнаружения сигналов / Н. Г. Гаткин, и др.. —К., Техшка, 1971. — 202 с.

60. Каппелини, В. Цифровые фильтры и их применение / В. Каппелини, Дж Константинидис, П. Эмилиани. —М.: Энергоатомиздат, 1983.

61. Хемминг, Р. В. Цифровые фильтры / Пер. с англ. В. Н. Лисина; Ред. пер. О. А. Потапова. М.: Недра, 1987. — 221 с.

62. Рабинер, Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер, Б. Гоулд: Пер. с англ. — М.: Мир, 1978. — 848 с.

63. Гольденберг, Л. М. и др. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для ин-тов связи спец. 2307,2306,2305 / Л. М. Гольденберг, Б. Д. Матюшкин, М. Н. Поляк. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.:Радио и связь, 1990. — 256 с

64. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов / А.Б. Сергиенко. — СПб.: Питер, 2003. — 608 с.

65. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных / Дж. Бендат, А. Пирсол. — М.: Мир, 1989. — 540 с.

66. Техническое задание на разработку электронной части стенда для измерения удельного модуля упругости углеграфитового волокна: ТЗ.2002-798. — Новоуральск: ОАО «УЭХК», 2002— 2 л.

67. С. А. Салмин, К. К. Шевараков. Разработка измерителя модуляупругости углеродных волокон, реализующего акустический метод.// Приборы. —2011— №4— С. 4-10.

68. Измеритель модуля упругости жгутов и нитей ультразвуковой: Руководство по эксплуатации. 03183-О-ООРЭ. — Новоуральск: ОАО «УЭХК», 2005— 39л.

69. Дьелесан, Э. Упругие волны в твердых телах: применение для обработки сигналов / Э. Дьелесан, Д. Руайе; пер с фр. по ред. В.В. Леманова.— М.: Наука, 1982 —424 с.

70. Конев, С. Ф. Отчет по договору 8-20-1158 / ООО «РАСТЕКС». Руководитель Конев С. Ф., отв. исполн. Конев С. Ф. Екатеринбург, 1997,- 45 л.

71. Мартынов, Н. Н. Программирование для Windows на C/C++ / Н. Н. Мартынов.— Бином, 2004. — 528 с.

72. Использование Visual Basic 6 / Б. Реселман и др.: Пер. с англ. — Киев—Москва—Петербург, Вильяме, 1999. — 608 с.

73. Бокс, Д. Сущность технологии СОМ / Дональд Бокс. — Питер, 2001,— 400 с.

74. ЗАКОН РФ ОТ 27.04.93 N 4871-1 (РЕД. ОТ 10.01.2003) ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

75. ГОСТ Р 8.568—97 ГСИ. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения. М.: Издательство стандартов, 1998. — 11с.

76. ПР 50.2.009-94. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений. М.: Издательство стандартов, 1995. — 13с.

77. Пат. № 2208223. Российская Федерация, МПК7 G01H5/00. Измеритель скорости звука в жидких средах / Полканов К.И. Романов В.Ю. Смелов Д.А.

78. Туманов, А. Т. Конструкционные материалы. В 3-х т. Т.1 Абляция -Коррозия / А. Т. Туманов. — М.: Советская энциклопедия, 1963. — 416с.

79. ГОСТ 19671—91. Проволока вольфрамовая для источников света. М.: Издательство стандартов, 1992. —41 с.

80. Исследовании свойств ГСО МУ—В А 8717: отчет по НИР / ОАО «УЭХК». Руководитель: Новаков С. Н., отв. исполн. Черепанов А. И. Инв. 18/12590. Новоуральск, 2005 25 с.

81. С. А. Салмин, К. К. Шевараков, С. Н. Новаков. О разработке и применении стандартных образцов при измерении параметров углеродных жгутов и нитей // Стандартные образцы. — 2007. — №4. — С. 26-29.

82. Фрумкин, В. Д. Теория вероятности и статистика в метрологии и измерительной технике / В. Д. Фрумкин, Н. А. Рубичев.—М.: Машиностроение, 1987.— 168с.

83. Н. А. Тяпунина, Е.К.Наими, Г.М.Зиненкова. Действие ультразвука на кристаллы с дефектами. М.: МГУ. 1999г. 238 с.

84. С. А. Салмин, К. К. Шевараков. О соотношении между динамическим и статическим модулем упругости некоторых типов углеродных волокон. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2010. — №10. — С. 3436.

85. ГОСТ 8.207—76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: Издательство стандартов, 1976, — 13с.

86. РМГ 43-2001. Применение "Руководства по выражению неопределенности измерений", 2001.—20с.

87. Сергеев, А. Г. Метрология, стандартизация, сертификация / А. Г. Сергеев, М.В. Латышев, В. В Терегеря.— М.: Логос, 2003. — 536 с.