автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка импульсных методов и приборов для контроля теплозащитных свойств твердых материалов

с г в й«

На правах рукописи

1 ч'1; ■

Бояринов Алексей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНЫХ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов - 1996

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Мищенко Сергей Владимирович; кандидат технических наук, доцент Глинкин Евгений Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кораблев Игорь Васильевич; кандидат технических наук, доцент Дмитриев Дмитрий Александрович.

Ведущая организация - РКК "Энергия" (г.Москва)

Защита диссертации состоится " 7 " июня 1996 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета К 064.20.03 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392000, Тамбов, Ленинградская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " / " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Чуриков A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Разработка новых материалов с необходимыми физико-химическими свойствами, отработка технологии их производства, контроль качества готовой продукции и испытания изделий в процессе эксплуатации требуют проведения экспресс-анализа состава и свойств веществ. Эта задача может эффективно решаться с помощью измерительных приборов неразрушаю-шего экспресс-контроля (НЭК).

При производстве и эксплуатации теплоизоляционных материалов и изделий, испытывающих значительные тепловые воздействия, необходим контроль теплозащитных свойств, которые часто характеризуются комплексом те-гоюфизических свойств (ТФС): теплопроводностью, температуропроводностью и теплоемкостью. С точки зрения оперативности большой интерес представляют импульсные методы, обеспечивающие неразрушающий экспресс-контроль ТФС твердых материалов.

В технике применяются конструкционные и теплоизоляционные материалы, ТФС которых существенно различаются. Однако известные измерительные приборы, реализующие импульсные методы НЭК., обеспечивают требуемую точность только в узком диапазоне ТФС исследуемых материалов, что обусловлено неполной адекватностью аналитической модели контроля реальным процессам. Применение микропроцессоров в этих приборах обеспечило использование точных формул для вычисления искомых ТФС за счет реализации сложных алгоритмов расчета, но при этом не позволило существенно повысить точность в заданном диапазоне контроля ТФС. Причина этого - проектирование микропроцессорного измерительного прибора, строго реализующего аналитическую модель метода контроля и использование микропроцессора, как средства обработки результатов измерений. При этом программно-управляемое средство становятся подобием прибора с жесткой структурой, что не позволяет полностью использовать функциональные возможности микропроцессора.

Дальнейшее совершенствование импульсных методов и приборов НЭК ТФС предлагается проводить за счет использования возможностей микропроцессора для экспериментального определения поправок и автоматической коррекции погрешности аналитической модели контроля.

Таким образом, разработка импульсных методов и микропроцессорных приборов, обеспечивающих расширение диапазона исследуемых материалов и повышение точности НЭК теплозащитных свойств твердых штерахчоз является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом министерства науки и технической политики РФ по программе "Черноземье" (1993-1995гг.), межвузовской научно-технической программе Гособразования РФ "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (1594-1995гг.).

Предмет исследований. Методика разработки микропроцессорных приборов НЭК с расширенным диапазоном контроля ТФС. Методика получения модели введения поправок и применение ее для повышения точности аналитической модели контроля. Алгоритмы определения параметров модели поправок по материалам с известными свойствами. Импульсные методы и модели контроля ТФС. Архитектура измерительно-вычислительных приборов (ИВП) и способы повышения информативности обмена между число-импульсным микропроцессором (ЧИМ) и внешними устройствами.

Цель работы. Повышение точности импульсных методов и микропроцессорных приборов неразрушающего экспресс-контроля и расширение диапазона контроля теплофизических свойств твердых материалов .

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику создания микропроцессорных измерительных приборов импульсного контроля теплофизических свойств;

- разработать модель введения поправок для автоматической коррекции систематических погрешностей контроля теплофизических свойств и создать алгоритм определения параметров этой модели;

- разработать неразрушакмцие импульсные методы определения теплофизических свойств, обеспечивающие требуеь!ук> точность и оперативность в заданном диапазоне контроля;

- сформировать архитектуру микропроцессорного измерительного прибора;

- провести промышленные испытания и внедрение результатов работы.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы

системного анализа и математического моделирования, методы технической кибернетики и метрологии, а также опыт в области микросхемотехники измерительных средств для контроля ТФС при исследованиях, проводимых в рамках НИР и ОКР.

Научная новизна.

1. На основе аналитического решения математической модели температурного паля образца при импульсном тепловом воздействии на его поверхность получены зависимости для расчета теплофизических свойств по экспе-

риментальным данным, положенные в основу методов неразрушающего контроля теплофизических свойств.

2. Предложена модель введения поправок в измеренные значения на основе анализа погрешностей импульсных методов контроля теплофизическлх свойств.

3. Разработана методика калибровки микропроцессорных приборов посредством нахождения параметров модели введения поправок по результатам экспериментов с образцами имеющими известные теплофизические свойства.

4. Проведены исследования метрологических характеристик разработанных методов и определены области наиболее целесообразного применения для каждого из них: - экспрессный контроль, не требующий высокой точности; -контроль с повышенной точностью в узкоограниченном диапазоне теплофизи-ческих свойств; - контроль теплофизических свойств в расширенном диапазоне измерения.

5. Предложена методика создания микропроцессорных приборов с гибкой архитектурой для неразрушающего экспресс-кошроля теплофизических свойств на основе импульсных методов и модели введения поправок в измеренные значения.

Практическая ценность.

1. Предложенная методика создания позволила разработать микропроцессорные приборы серии "Темп" для неразрушающего экспресс-контроля теплофизических свойств, позволяющие повысить точность I; расширить диапазон измерения.

2. Импульсные методы контроля теплофизических свойств, реализованные в микропроцессорных приборах серии "Темп", повысили метрологические и эксплуатационные характеристики приборов.

3. Алгоритм определения параметров модели введения поправок и методика калибровки положены в основу метрологического обеспечения микропроцессорных приборов серии "Темп", что позволило контролировать тегою-физнческие свойства материалов с теплопроводностью от 0.02 до 1.5 Вт/мК.

4. Создан способ обмена информации с число-импульсным микропроцессором, повышающий скорость обмена информации в 120 раз.

5. Способ обмена информации реализован в интерфейсах ввода-вывода приборов серии Темп", что позволило расширить их функциональные возможности.

Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение при создании:

1) автоматизированных приборов для теплофизических исследований теп-лоизоляторов РИПОР, ТИНК, КССК в температурном диапазоне 20-1200'С, изменяемом по заданной программе при экспресс-контроле температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности (п/я В2572, Москва);

2) микропроцессорных приборов серии "Темп" для НЭК комплекса ТФС твердых материалов с теплопрводностью в диапазоне 0.02 - 1.5 Вт/мК (НПО "Энергия", Калининград);

3) способов обмена информации в сети программируемых микрокалькуляторов (Школа дифференцированного обучения №13, г. Тамбов);

4) устройства для организации учебного процесса 'Темп 090", "Темп 09 Г (Школа дифференцированного обучения №13, г.Тамбов).

Результаты работы по созданию способов обмена информации и контроля теплофизических свойств, архитектуры устройств для их реализации защищены 3 патентами России. Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 56 тыс. руб. (в ценах 1991г.).

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Новейшие исследования в области теплофизических свойств" (г.Тамбов, 1988г.), Всесоюзной научной конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (г.Тамбов, 1989г.), Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств" (г.Тамбов, 1939г.), Республиканском семинаре "Опыт применения однокристальных микроконтроллеров в народном хозяйстве" (г.Тернополь, 1989г.), Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Теплофизика релаксирующих систем" (г.Тамбов, 1990г.), Международном совещании-семинаре молодых ученых" Теплофизические проблемы промышленного производства" (г.Тамбов 1992г.), Второй международной теплофизической школе "Повышение эффективности теплофизических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения" (г.Тамбов, 1995г.), Российской электрохимической школе "Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа" (г.Тамбов, 1995г.).

Публикации, Теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах. Новизна способов экспресс-контроля и реализации информационных процессов, архитектуры систем и интерфейсов защищена 3 патентами России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации из-

ложена на 114 страницах машинописного текста. Работа содержит 24 рисунка и 2 таблицы. Список литературы включает 72 наименовашш и занимает 9 страниц. Работа дополнена приложением, размещенном на 22 страницых.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы. Раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации теоретических и практических исследований.

Первая гдава посвящена литературному обзору существующих импульсных методов и микропроцессорных приборов для НЭК ТФС.

Обзор большинства импульсных методов показал, что они основаны на моделях температурного поля, полученных для идеализированной физической модели. Это приводит к существенной методической погрешности НЭК ТФС.

Отмечена тенденция создания методов со сложным алгоритмом упрааче-ния параметрами импульсного теплового воздействия (амплитудой, длительностью, периодом) для получения более простых расчетных зависимостей для вычисления ТФС. Их реализация вызывает технические трудности и не позволяет сохранить необходимую точность НЭК при расширении диапазона контролируемых материалов.

Анализ микропроцессорных приборов для импульсного НЭК ТФС показал, что они не в полной мере реализуют основные достоинства импульсных методов (экспрессность и простоту проведения). Известные приборы, выполненные на базе персональных компьютеров из-за громоздкости и аппаратурной избыточности пригодны только для лабораторного использования. Измерительные приборы на базе программируемых микрокалькуляторов недостаточно автоматизированы и имеют ограниченные функциональные возможности. Отмечены ценные качества число-импульсных микропроцессоров (ЧИМ) для создания малогабаритных измерительных приборов. Выявлены причины, которые мешают развитию измерительных приборов на базе ЧИМ. Среди них основной является отсутствие универсальных быстродействующих портов ввода-вывода информации.

Анализ литературного обзора позволил найти общую методику создания приборов: по физической модели объекта контроля строят математическую модель, решением которой является модель контроля; синтез архитектуры прибора выполняется по модели контроля; оценка метрологических характеристик прибора производится по стандартной методике. Погрешность контроля в

этом случае зависит от адекватности математической модели реальному измерительному устройству, точности се решения и погрешности используемых преобразователей. Особенности импульсных методов НЭК ТФС не позволяют в эксперименте идеально реализовать их математическую модель.

Рассмотрены достоинства данной методики и ее недостатки, основными из которых являются жесткий алгоритм функционирования создаваемого прибора и низкая точность контроля из-за неполной адекватности математической модели. Поэтому для достижения поставленной цели требуется изменение традиционного подхода к созданию приборов импульсного НЭК ТФС.

Во второй главе рассмотрены методика разработки приборов импульсного НЭК ТФС и теоретические основы получения модели введения поправок.

Рассмотрена методика проектирования программно-управляемых средств измерения, которая представляет его в виде следующих компонент: технические и программные средства, аналитическая модель контроля и метрологическое обеспечение. Методика позволяет проводить независимое проектирование каждой из компонент на следующих этапах: математическое моделирование, создание способов и алгоритмов, конструирование.

При создании измерительных приборов определенного типа требуется разработка архитектуры измерительно- вычислительного прибора (ИВП), аналитической модели контроля и метрологического обеспечения на уровне способов и алгоритмов. Решение этих задач сводит общую методику проектирования к методике содания микропроцессорных приборов конкретного типа.

Предложена методика создания приборов импульсного НЭК ТФС твердых материалов, включающая:

1. Формирование гибкой архитектуры ИВП;

2. Создание базисной модели контроля, отражающей основные связи между искомыми и непосредственно регистрируемыми параметрами;

3: Получение модели введения поправок в результаты измерения ТФС и разработку алгоритма расчета ее параметров;

4. Калибровку прибора по материалам с известными ТФС.

ИВП является программно-управляемым преобразователем для проведения прямых и косвенных измерений. Гибкость его архитектуры достигается введением избыточных связей, что позволяет программно модифицировать структуру прибора.

Рассмотрение импульсных методов показало целесообразность замены сложной аналитической модели контроля ее базисной моделью, представляющей собой выражения для расчета искомых ТФС через непосредственно регистрируемые параметры.

Создаваемые по предложенной методике микропроцессорные приборы организуют процесс измерения в соответствии со схемой, представленной на рис. 1. Измеренные значения ТФС V = {аД( определяют по базисной модели контроля Мв в результате прямого измерения отклика X на внешнее воздействие и-.

где 5.- неконтролируемые параметры объекта контроля.

Модель введения поправок Мр, связывающая измеренные V и действительные значения ТФС У={а,Ц имеет вид:

V = МР(А,^),

где А- параметры модели введения поправок.

Параметры А можно определить по материалам с известными значениями ТФС N = {а'Д'| , получив в результате экспериментов с использованием базисной модели контроля их измеренные значения ТФС N = {а'Д°} :

А = Мр'(К50,

где Мр1 - решение модели введения поправок.

Тогда для уменьшения систематической погрешности, скорректированные значения ТФС V = {а,Х) находят по полной экспериментально-аналитической модели контроля:

V = МР(М;'(М,Й),МвГХ(и,$])).

Рис.1

При этом необходимо для заданного вида модели введения поправок найти ее параметры. Выбран следующий вид модели:

1.0

где V - действительные значения; V - измеренные значения; 1 - пара-мэтры модели.

Используя возможности микропроцессоров предлагается находить параметры ё, путем калибровки прибора по материалам-образцам с известными ТФС, значения которых определены стационарным методом с помощью лабораторных средств измерения. Под калибровкой будем понимать настройку прибора на заданный диапазон измерения за счет получения модели Мр, обеспечивающей минимальную погрешность контроля на материалах-образцах.

Для реализации программно-управляемой калибровки прибора найдено решение модели Мр и разработан алгоритм прямого расчета ее параметров:

1)Уо,=Н); 3)«,=^-. (1)

V -Ы< • -к - Х*-1,)-и ■

п=2,3,4,... - число материалов-образцов; к=0,п -1 - этап расчета; 3= к + 1, п - номер материала-образца; ¡= к» п -1 - степень.

Микропроцессорные приборы разработанные по данной методике способны в процессе контроля ТФС производить оперативную калибровку. Тем самым снижаются систематические составляющие погрешностей метода, уменьшается влияние временного дрейфа параметров измерительного преобразователя (ИП) и неконтролируемых внешних факторов. Кроме того, появляется возможность настройки прибора на диапазон НЭК ТФС, а также под конкретный экземпляр ИП.

Третья гланд в соответствии с методикой разработки рассматривает вопросы создания базисных моделей контроля импульсных методов НЭК ТФС, а также формирования гибкой архитектуры измерительных приборов на базе число-импульсных микропроцессоров (ЧИМ).

Модель температурного поля Т(х,т) при воздействии п тепловых импульсов от линейного нагревателя на поверхность полуограниченного в тепловом отношении тела при постоянной мощности q и периоде I подачи импульсов имеет вод:

2тЛ £о ~ Л)

где т - время с момента подачи первого теплового импульса;

X, а - теплопроводность и температуропроводность материала; х - расстояние от линейного нагревателя до точки контроля температуры;

1 - текущий номер теплового импульса. Для определения температур Тп=Т(п1,х) в моменты Ш подачи тепловых импульсов справедлива следующая модель:

На основе моделей (2) и (3) разработано три импульсных метода НЭК ТФС, в которых использованы соответственно аналитическая, аналитическая с коррекцией и экспериментально-аналитическая модели контроля.

1. Импульсный метод НЭК ТФС по скорости изменения температуры реализует аналитическую модель контроля. При этом регистрируют скорости изменения температуры за период I при подачи к-го и 1-го импульсов:

V - ~ • V - ~

' I ' I '

Аналитически получена базисная модель контроля для определения ТФС:

Чехр—

41(^-1)(к-1)!л

х3(к - () . , _ V 4аЦк-1),

2лУк(к-1)г

Ч(к-1)

Данный метод обеспечивает экспрессность контроля ТФС за счет сокращения времени предварительного термостатнрования. Достоинством метода является простота реализации: постоянный период тепловых импульсов, один канал измерения, регистрация температуры в кратные моменты времени.

Недостатком является низкая точность определения ТФС за счет случайной и систематической погрешностей, вызванных температурным, временным и параметрическим дрейфом х, д, V.

2. Импульсный метод НЭК ТФС по максимумам температуры использует аналитическую модель контроля с коррекцией по эталону. Метод заключается в подаче п тепловых импульсов с периодом I и регистрации момента времени наступления максимума и величины температуры Тпцщ от последнего импульса. Для создания базисной модели контроля аналитически найдена

а =

производная модели температурного поля (2) и введены переменные: У = х2 / 4а£ ; = х^, /1 . Численное моделирование позволило получить функцию, связывающую эти параметры: У = ^(ГЧ^) .

Исследована зависимость погрешности определения У от числа импульсов п. Отмечено, что увеличение п свыше семи не приводит к существенному снижению погрешности контроля У. Поэтому для сокращения времени проведения эксперимента предлагается ограничиться значением п=7. С целью снижения методической погрешности организуют последовательные измерения на материале с искомыми а, X и эталоне с известными а*, Х\ При этом базисная модель контроля принимает вид:

х-*

У т Л 1 Г V

где = +- 6 - 1 ; индекс ° обозначает, что результаты измерения получены для эталонного материала.

Реализация данного метода позволяет повысить точность НЭК ТФС материалов одного класса с эталоном.

Э. Расширение диапазона контроля обеспечивает импульсный метод НЭК ТФС с экспериментально-аналитической моделью контроля, включающей базисную модель контроля и эмпирическую модель введения поправок. Метод заключается в регистрации температуры Тга и Т„ в моменты подачи т-го и п-го импульсоа. Для нахождения базисной модели контроля проведено математическое и численное моделирование, позволившее преобразовать модель (3) к виду. Т, = 1^.00, (4)

где РП(У) - корректирующая функция, Т0 = Ч :

2лХ>

Найден вид корректирующей функции для 5-го и 11-го импульсов. Используя модель (4), получена следующая функция: У=Г(Т5,Тц).

Создана базисная модель контроля для предварительного расчета ТФС через непосредственно регистрируемые параметры:

х2 . г дРцРОехр(-У) а = 4УГ Х= '

Дальнейшая обработка полученных значений ТФС производится по модели введения поправок:

а = Ь,а'; (б>

1-0 ио

где |Ь,}£~1, ¡с,Ц"' -параметры модели введения поправок.

Совокупность моделей (5) и (6) образуют экспериментально-аналитическую модель контроля ТФС. Данный метод позволяет в выбранном диапазоне контроля ТФС повысить точность за счет изменения параметров модели (6).

В соответствии с предлагаемой методикой произведено формирование гибкой архитектуры прибора на базе ЧИМ. Рассмотрены особенности построения число-импульсных микропроцессорных систем, организации динамической оперативной памяти. Анализ измерительных приборов с ЧИМ выявил необходимость разработки высокоэффективного способа обмена информации, повышающего гибкость архитектуры и функциональные возможности. С целью совершенствования технических средств, предложен способ обмена информации между ЧИМ и внешним устройством, имеющий скорость обмена, равную скорости передачи данных в кольце динамической памяти.

Сущность предлагаемого способа состоит в формировании кодов адреса К={к,1,т,п} в пространственных координатах, соответствующего адресу К, = {Вк,СмО„Р„} информации динамической памяти во временных координатах. При вводе информации осуществляется замещение исходной число-импульсной последовательности на информационной магистрали сигналами с внешнего устройства. При выводе число-импульсная информация преобразуется в параллельные коды с помощью пространственного адреса К. Сравнение текущих {к,1,т,п| с заданными значениями позволяет производить адресный обмен информации. Разработанный способ обеспечивает скорость обмена информации в 120 раз большую по сравнению с известными решениями для ЧИМ, а его новизна подтверждена патентом России №2015545.

На основании предложенного способа разработано устройство обмена информации с ЧИМ. В его состав помимо ЧИМ входят мультиплексор, блок синхронизации, счетчик адреса, запоминающее устройство. Разработанные способ и устройство обмена информации позволили расширить интерфейсные возможности ЧИМ, увеличить объем оперативной памяти за счет программно-управляемого ввода/вывода, обеспечить энергонезависимое хранение прикладных программ во внешнем ПЗУ.

В четвертой главе рассмотрена архитектура базовой модели микропроцессорных приборов серии 'Темп", разработанных по предложенной методике.

Прибор предназначен как для автоматизации теплофизического научно-исследовательского эксперимента в лабораторных условиях, так и для проведения НЭК комплекса ТФС в цеховых условиях.

Базовая модель позволяет контролировать теплопроводность в диапазоне 0.02-1.5Вт/мК и температуропроводность в диапазоне (1-10)10"7м2/с за счет калибровки прибора по материалам с нормированными ТФС и программного управления мощностью тепловых импульсов по длительности, периоду и числу.

При лабораторных исследованиях возможно регулирование температуры объекта контроля в диапазоне 20-1200"С. Прибор имеет канал вывода результатов эксперимента на печать.

Базовая модель содержит два канала регистрации температуры и два канала управления, которые образуют независимые контуры: контур измерения ТФС и контур регулирования температуры объекта контроля. Контур измерения включает усилитель постоянного тока и аналого-импульсный преобразователь, представляющие собой АЦП канала регистрации температуры, а также блок питания и программируемый таймер, реализующие канал управления. Цифровой вольтметр выполняет функцию АЦП канала измерения, а встроенный ЦАП используется в канале управления контура регулирования температуры.

Прибор выполнен на основе микроЭВМ "Электроника МС 1103" с ЧИМ. Для повышения гибкости архитектуры и расширения интерфейсных возможностей введен контроллер внешних устройств (КВУ), который реализует разработанный способ программного обмена информации между ЧИМ и внешними устройствами контуров измерения и регулирования. Штатная программная память и память данных мик{юЭВМ расширена за счет дополнительной постоянной и оперативной памяти.

Особенности технических средств определяют принципы организации программного обеспечения (ПО). Ограниченный объем оперативной памяти ЧИМ при многократно превосходящем объеме постоянной памяти диктует поочередное использование программных блоков за счет возможностей КВУ. С целью повышения эффективности работы ЧИМ разбиение ПО на программные блоки выполнено по функциональному принципу: регулирование, термо-статировзние, определение ТФС, коррекция ТФС, расчет. Программа регулирования обеспечивает нагрев и поддержание заданного уровня температуры исследуемого образца. Программа термостатирования служит для стабилизации температурь/ на поверхности образца. По программе определения ТФС производятся воздействие тепловыми импульсами, регистрация температур и

вычисление ТФС по базисной математической модели. Программа расчета вычисляет параметры модели введения поправок по результатам измерений на материалах с известными ТФС, Программа коррекции использует модель введения поправок для обработки значений ТФС, полученных по базисной модели.

Периодическая калибровка прибора в процессе контроля ТФС обеспечивает компенсацию систематических погрешностей, величина которых не постоянна во времени, а так же позволяет производить настройку прибора на заданный диапазон и снижать погрешность контроля ТФС.

Метрологические характеристики базовой модели оценены по методике поверки рабочих средств измерения ТФС. Относительная погрешность при реализации метода с экспериментально-аналитической моделью контроля не превысила: 6.8% для теплопроводности (в диапазоне 0.02-1.5 Вт/мК), 8.3% для температуропроводности (в диапазоне 10"7-10"6 м2/с).

Показано, что эффективность использования модели введения поправок для повышения точности контроля ТФС материала зависит от соответствия его толщины толщинам образцов, используемых при калибровке прибора. Экспериментально исследовано влияние толщины материала на погрешность НЭК ТФС.

Проведена оценка разработанных импульсных методов НЭК ТФС по оперативности и точности. Экспериментально на материалах с известными свойствами определена погрешность контроля этими методами: теплопроводности в диапазоне 0.02-1.5 Вт/мК и температуропроводности в диапазоне 10"7-10"6 м2/с. Результаты представлены на рис. 2 в виде графиков относительной погрешности в диапазоне контроля ТФС. Анализ метрологических характеристик методов позволил определить области наиболее целесообразного их использования: экспрессные измерения не требующие высокой точности следует проводить методом контроля ТФС по скорости изменения температуры; для контроля с повышенной точностью в узко ограниченном диапазоне ТФС наиболее предпочтителен метод по максимумам температуры; контроль ТФС в расширенном диапазоне измерения требует использования метола с экспериментально-аналитической моделью контроля.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических предпосылок, положенных в основу импульсных методов НЭК ТФС, модели введения поправок и методик создания и калибровки мик-' ропроцессорных приборов НЭК ТФС.

Методика создания микропроцессорных приборов НЭК ТФС применялась при разработке приборов 'Темп 070", Темп 071", "Темп 072", "Темп 073",

\

"Темп 075". Способ обмена информации реализован во всех измерительных приборах серии Темп", а также в устройствах для организации учебного процесса Темп 090" и Темп 091". Внедрение результатов работы обеспечило значительный социальный и экономический эффект в учебной, научной и практической работе.

В приложении приведены таблицы и графики машинного моделирования, описание устройства обмена информации, результаты экспериментов, акты внедрения результатов работы.

>-2 Х3 X» аг »} "4

Рис. 2. 1 - метод с аналитической моделью контроля; 2 - метод с коррекцией аналитической модели контроля по эталонному материалу (ТФС эталона - \2, аз ); 3- метод с экспериментально - аналитической моделью контроля (Х[, Хз, Хз, Х4, аз, а}, 04 - значения ТФС материалов - образцов).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе аналитического решения математической модели температурного поля образца при импульсном тепловом воздействии на его поверхность получены зависимости для расчета ТФС по экспериментальным данным, пало>:;еп. ;ы; в основу методов ^еразрушаюшего контроля ТФС. Импульсные методы контроля теплофизических свойств реализованы » микропроцессорных приборах серии Темп", что позволило повыаггь метрологические и эксплуатационные характеристики приборов.

2. Проведен анализ погрешностей импульсных методов когггроля ТФС и предложена модель введения поправок в измеренные значения теплофизических свойсте. Разработан алгоритм для расчета параметров модели сведения поправок и методика калибровки микропроцессорных приборов посредством нахождения параметров модели введения поправок по результатам экспериментов с образцами имеющими известные теплофизические свойства. Это по-

зволило повысить точность и расширить диапазон контроля ТФС за счет снижения систематической погрешности измерения. Алгоритм определения параметров модели введения поправок и методика калибровки положены в основу метрологического обеспечения микропроцессорных приборов серии Темп", что позволило контролировать теплофизические свойства материалов с теплопроводностью от 0.02 до 1.5 Вт/мК.

3. Создан способ обмена информации с число-импульсным микропроцессором, повышающий скорость обмена информации в 120 раз. Способ обмена информации реализован в интерфейсах ввода-вывода приборов серии "Темп", что позволило расширить их функциональные возможности.

4. Проведены исследования метрологических характеристик разработанных методов и определены области наиболее целесообразного применения для каждого из них: экспрессный контроль, не требующий высокой точности; контроль с повышенной точностью в узко ограниченном диапазоне ТФС; контроль ТФС в расширенном диапазоне измерения.

5. Предложена методика создания микропроцессорных приборов с гибкой архитектурой для неразрушаюшего экспресс-контроля ТФС на основе импульсных методов и модели введения поправок в измеренные значения. По данной методике разработаны мшсропроцессорные приборы для неразрушаюшего экспресс-контроля теплофизических свойств серии "Темп", что позволило повысить точность и расширить диапазон измерения.

Основные материалы, отражающие результаты диссертационной работы, изложены в следующих публикациях :

1. Бояринов А.Е., Глинкин Е.И., Герасимов Б.И. Адаптивная калиСровка МАП // Вестник ТГТУ,- 1995,- №1.- С.35-45.

2. Методика проектирования программно-управляемых средств измерения /А.Е.Бояринов, Б.И. Герасимов, Е.И. Глинкин, М.Ю. Серегин // Метрология.-1994,- №8,- С.3-12.

3. Бояринов А.Е. Автоматизированная теплофизическая система 'ТЕМП 070"// Теплофизика релаксирующих систем: Тез. докл.- Тамбов, 1990.-С.92.

4. Бояринов А.Е., Глинкин Е.И., Петров C.B. Теплофизические ИВС // Повышение эффективности СОИ на базе математического и машинного моделирования: Тез. докл.- Тамбов, 1991. -С.187-188.

5. Бояринов А.Е. Системы для определения теплофизических свойств ^твердых материалов импульсным методом // Теплофизические проблемы промышленного производства: Тез. докл. Международной теплофизической школы 21-24 сентября 1992,- Тамбов, 1992,- С.59.

6. Боярннов А.Е., Глшпсин Е.И. Теплофизические системы "ТЕМП" // Теплофизические проблемы промышленного производства: Тезлокл. Международной теплофизической школе 21-24 сентября 1992.- Тамбов, 1992.- С. 153.

7. Боярииов А.Е., Глинкин Е.И., Петров C.B. Анализ импульсных способов контроля // Повышение эффективности СОИ на базе математического и машинного моделирования: Тез. докл.-Тамбов, 1993,- С.228-229.

8. Аналитические измерения состава и свойств Бешеств / Е.И.Глинкин, Б.И.Герасимов, А-Е.Бояринов и др.//1\' Всероссийская научная конференция: Тез. докл. - Ярославль, J994. - С.243-244.

9. Метрологическое обеспечение микропроцессорных измерительных средств /АЕ. Бояринов, Е.И.Глинкин, Б.И. Герасимов и др. // I научная конференция ТГТУ: Тез. докл.-Тамбов, 1994.-С.138.

10. Портативные приборы и модели импульсного контроля ТФС / АЕ.Бояринов, Е.И.Глинкин, КЛО.Иржавцев, В.В.Обухов // Вторая Международная теплофизическая школа: Тез. докл. - Тамбов, 1995.- С. 176.

11. Бояринов Е.И., Герасимов Б.И. Метрологическое обеспечение вычислительных систем для контроля состава и свойств веществ // Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа: Тез. докл. Российской электрохимической школы. - Тамбов, 1995.- С.49.

12. Боярннов А.Е. Способы и средства импульсного контроля состава и свойств веществ // Новейшие достижения в области электрохимичеких методов анализа: Тез. докл. Российской электрохимической школы.-Тамбов, 1995.-С.50.

13. Бояриноа А.Е. Способы и программно-управляемые средства для теп-лофизических измерений.// 11 научная конференция ТГТУ: Тез. докл.- Тамбов, 1995.- С.92.

14. Патент №2027172 Россия. Способ и устройство комплексного определения ТФХ материалов / C.B. Пономарев, C.B. Мищенко, АЕ. Бояринов и др.- 1995 бюл. №2.

15. Патент №2015545 Россия. Способ обмена информации в микрокаль-кулятерной сети и мпкрокалькуляторная сеть для ее реализации /Бояринов АЕ., Глинкин Е.И.- 1994 бюл. №12.