Введение к работе
Актуальность темы. Современное производство ставит задачи по созданию эффективных методов и средств контроля качества различных материалов и изделий. Наиболее важными параметрами, которые необходимо контролировать в процессе производства, являются влажность и плотность материалов и компонентов на всех стадиях изготовления изделия, его геометрические характеристики и наличие различных структурных дефектов. Как показала практика, наиболее эффективными методами являются тепловые, радиационные, акустические и радиоволновые, позволяющие контролировать практически все технологические параметры с высокой точностью. При выборе методов определения влажности необходимо учитывать и влияние различных видов влаги на свойства материалов.
Существующие косвенные методы и аппаратура не обеспечивают достаточной точности и достоверности результатов измерений, что объясняется заметной зависимостью результатов от уровня шумов и переходных процессов в аппаратуре, температуры окружающей среды и объекта измерений, неравномерности распределения влаги по глубине и по поверхности, неоднородности структуры и отклонения физико-химических характеристик материала. Кроме того, практически вся имеющаяся аппаратура обладает большими габаритами и массой, что затрудняет процесс транспортировки и существенно ограничивает область ее применения.
Определенными преимуществами обладает метод микроволновой влагометрии, основанный на регистрации ослабления энергии электромагнитной волны, распространяющейся в неэкранированной полосковой линии передачи и взаимодействующей с исследуемым материалом. Ослабление энергии электромагнитной волны вызвано релаксацией молекул воды и зависит от толщины слоя материала и его влажности.
На основании этого метода создано устройство экспресс-анализа влажности твердых и сыпучих материалов, состоящее из двух функциональных блоков: выносного микроволнового датчика и базового измерительного модуля.
Микроволновый датчик, благодаря своей универсальности, может быть использован в научных и производственных целях, что позволяет расширить область применения микроволнового метода измерения.
Цель работы заключается в исследовании функциональных возможностей -и характеристик сверхвысокочастотного измерителя физических параметров материалов.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Экспериментально установлены параметры интегральной модели микроволнового датчика и изучено влияние на них различных неинформационных воздействий.
1 2. Предложено и экспериментально подтверждено выражение для мнимой части диэлектрической проницаемости влажных сред в СВЧ диапазоне.
-
Исследованы градуировочные характеристики измерителя влажности с учетом влияния неинформационных факторов, определены источники погрешностей и найдены способы их уменьшения.
-
Предложен новый способ градуировки прибора при работе с сыпучими материалами, позволяющий получить информацию о характере взаимодействия воды и исследуемого вещества.
-
Исследовано влияние растворимых солей на показания измерителя, предложена методика определения процентного содержания соли в веществе.
-
Исследован процесс изменения объема песка при увеличении влажности, предложено выражение, описывающее этот процесс с высокой точностью.
-
Предложены различные варианты использования сверхвысокочастотного датчика для определения линейных размеров образцов и изучения нестационарных процессов влагообмена.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты и разработанные экспериментальные методики могут быть использованы для:
1. Построения градуировочных характеристик измерителя физиче
ских параметров твердых и сыпучих материалов с учетом источников по
грешностей и способов их уменьшения.
2. Определения влажности твердых и сыпучих материалов.
-
Определения процентного содержания солей в различных материалах.
-
Контроля за технологическими процессами сушки и увлажнения природных материалов.
-
Определения характера влагонасышения различных материаіов и получения информации об их внутреннем строении.
-
Определения толщины образцов.
Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе и научных исследованиях на кафедре
^
"Компьютерные технологии в проектировании и производстве", на предприятии ВГГП "Волгогеология" для определения влажности песков в полевых условиях.
Достоверность результатов подтверждается адекватностью полученных математических выражений изучаемым физическим процессам, соответствием полученных результатов с их аналогами, найденными другими авторами, проведенными многократными экспериментальными исследованиями с последующей статистической обработкой полученных данных.
На защиту выносится:
-
Результаты исследования математической модели микроволнового датчика.
-
Эмпирическая математическая модель диэлектрических характеристик влажных сред в СВЧ диапазоне.
-
Анализ градуировочных характеристик амплитудного СВЧ измерителя влажности с датчиком на основе многослойной полосковой линии передачи.
-
Результаты исследований структурных изменений в песке при изменении влажности.
-
Методика определения процентного содержания соли в веществе.
6. Результаты экспериментальных исследований нестационарных
процессов влагообмена.
7. Методика определения толщины образцов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции "Computer methods and inverse problems in nondestructive testing and diagnostics" (r. Минск, 1995), Международной научной конференции " Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Микроволновые технологии в народном хозяйстве" (г. Казань, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике" (г. Н. Новгород, 1996), Региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (г. Н. Новгород, 1996), первой Нижегородской сессии молодых ученых (г. Выкса, Нижегородская область, 1996), научно-технической конференции Нижегородского технического университета (Дзержинский филиал) "Приборостроение и автоматизация технологических процессов" (г. Дзержинск, 1996), научно-технической конференции факультета Радиоэлектроники и технической кибернетики
"100-летие радио" (г. Н. Новгород, 1995), научно-технической конференции факультета Радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященной 80 - летаю НГТУ (г. Н. Новгород, 1995), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1997) и опубликованы в работах [18-21,32,33,38,47,48,57].
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 18 работах, из них 5 статей и 11 опубликованных тезисов докладов на научно-технических конференциях, 1 научная публикация и 1 методическая работа.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 137 страниц, включая библиографию из 61 наименования, 34 рисунка, 21 таблицу, 4 приложения.
