Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов и устройств контроля процесса отверждения изделий из полимерных композитов ... 16
1.1. Применение ПКМ и технологии их производства 16
1.2. Особенности технологического процесса производства изделий из ПКМ 21
1.3. Методы повышения интенсивности производства и качества изделий из ПКМ 24
1.4. Анализ методов исследования кинетики отверждения ПКМ 26
1.5. Анализ методов контроля процесса отверждения ПКМ 29
1.6. Анализ построения электрических емкостных преобразователей 39
1.7. Постановка задачи исследования 42
2. Математическое и алгоритмическое обеспечение метода и автоматизированной системы контроля процесса отверждения композитов 44
2.1. Анализ требований к АСК и методам исследования процесса отверждения композитов 44
2.2. Разработка математической модели процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании
2.2.1. Физическая модель измерительного устройства 46
2.2.2. Математическая модель организации экспериментального исследования 2.3. Разработка метода определения степени отверждения ПКМ по мощности тепловыделений 49
2.4. Разработка метода определения диэлектрических характеристик
при отверждении ПКМ 59
2.4.1. Выбор геометрии емкостного планарного первичного измерительного преобразователя 62
2.4.2. Метод определения диэлектрических характеристик 66
2.5. Построение корреляционных зависимостей между кинетикой отверждения ПКМ и диэлектрическими характеристиками
2.6. Построение алгоритмов расчета параметров математической модели 89
2.6.1. Математический аппарат обработки экспериментальных данных при численной реализации алгоритмов 89
2.6.2. Разработка алгоритмов расчета мощности тепловыделений 95
2.7. Выводы 96
3. Построение автоматизированной системы экспериментального исследования и контроля процесса отверждения композитов 98
3.1. Анализ требований к структуре построения и функциональным возможностям АСК 98
3.2. Выбор средства измерения диэлектрических характеристик в АСК процесса отверждения ПКМ 100
3.3. Структура построения и режимы функционирования АСК процесса отверждения ПКМ 103
3.4 Аппаратно-техническое обеспечение АСК процесса отверждения ПКМ и конструкция измерительного устройства 105
3.5 Математическое, алгоритмическое, программное и информационное обеспечение АСК процесса отверждения ПКМ... 114
3.6 Алгоритм функционирования АСК процесса отверждения ПКМ .118
3.7 Выводы 119
4. Метрологическая оценка метода и АСК 120
4.1 Анализ источников погрешностей при определении мощности тепловыделений и диэлектрических характеристик при отверждении ПКМ 120
4.2 Метрологическая оценка характеристик АСК 123
4.3. Оценка погрешностей метода и алгоритма определения мощности тепловыделений при отверждении ПКМ 125
4.4 Теоретическая оценка погрешности определения диэлектрических характеристик 130
4.5 Оценка погрешностей определения диэлектрических характеристик и корреляционной зависимости с помощью АСК 134
4.6 Выводы 138
5. Экспериментальные исследования корреляционных зависимостей и апробация аск 139
5.1 Методика подготовки образцов для исследования
корреляционных зависимостей между кинетикой отверждения
ПКМ и диэлектрическими характеристиками 139
5.2 Методика экспериментального исследования 141
5.3 Методика обработки экспериментальных данных в АСК 147
5.4 Экспериментальное исследование корреляционных зависимостей между кинетикой отверждения ПКМ и диэлектрическими характеристиками
5.4.1 Исследование ТФХ и мощности тепловыделений при отверждении ПКМ и проверка адекватности исследованных параметров 153
5.4.2 Определение корреляционных зависимостей отверждающихся ПКМ
5.5 Апробация АСК 162
5.6 Реализация разработанной АСК в производственном технологическом процессе 164
5.7 Выводы 166
Основные выводы и результаты 167
Список использованной литературы
- Методы повышения интенсивности производства и качества изделий из ПКМ
- Разработка математической модели процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании
- Выбор средства измерения диэлектрических характеристик в АСК процесса отверждения ПКМ
- Оценка погрешностей метода и алгоритма определения мощности тепловыделений при отверждении ПКМ
Введение к работе
Актуальность темы. Особое место среди перспективных конструкционных материалов в настоящее время принадлежит полимерным композитам на основе термореактивных связующих. Сочетание уникальных свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) – малая плотность, высокая прочность, химическая стойкость, хорошие теплоизоляционные свойства – обеспечили их широкое применение в авиационной, ракетно-космической, автомобильной, судостроительной, химической и других отраслях современного производства. Одним из главных условий высокого качества изделий из ПКМ является оптимальный технологический режим их получения при вариации свойств исходных материалов.
Свойства исходного материала (препрега или смеси) термореактивного ПКМ, как правило, изменяются во времени, существенно зависят от продолжительности и температурных условий их хранения, формообразования и определяются составом и соотношением компонентов. Разброс свойств исходных материалов и их нестабильность неизбежно приводят к несоответствию рассчитанного оптимального технологического режима этим свойствам и ухудшению качества готового изделия. В связи с этим возникает необходимость контроля процесса отверждения ПКМ в реальном времени с целью последующей коррекции технологического режима.
Главной проблемой при решении этой задачи является отсутствие стандартных средств контроля и исследования характеристик ПКМ в процессе отверждения. Основными направлениями в развитии методов и устройств контроля являются: разработка средств для получения информации о физико-химических свойствах ПКМ; усовершенствование известных принципов и методов контроля; использование компьютерной техники для обработки данных и построения сложных алгоритмов измерения. Для реализации перечисленных направлений наиболее перспективными с точки зрения интерпретации измеряемых параметров представляются диэлектрические методы контроля с учетом особенностей взаимосвязи между диэлектрическими характеристиками и степенью отверждения. Поэтому актуальным является разработка метода, измерительного устройства и автоматизированной системы контроля (АСК) процесса отверждения ПКМ в режиме реального времени по диэлектрическим характеристикам.
Цель работы. Разработка автоматизированной системы контроля процесса отверждения ПКМ, позволяющей измерять диэлектрические характеристики и рассчитывать по ним степень отверждения ПКМ в режиме реального времени для обеспечения контроля или коррекции технологического режима.
Для достижения поставленной цели было необходимо:
провести анализ существующих методов контроля процесса отверждения ПКМ и доказать, что диэлектрические характеристики могут с необходимой точностью использоваться для определения степени отверждения;
разработать метод и устройство для совместного определения диэлектрических характеристик и степени отверждения ПКМ;
разработать метод исследования корреляционной зависимости между диэлектрическими характеристиками и степенью отверждения ПКМ;
разработать и изготовить аппаратные средства, алгоритмическое и программное обеспечение АСК для совместного определения диэлектрических характеристик ПКМ и мощности тепловыделений при отверждении;
провести метрологический анализ разработанного метода и автоматизированной системы контроля процесса отверждения ПКМ;
проверить работоспособность АСК путем экспериментального определения степени отверждения образцов ПКМ в режиме реального времени на основе измерения диэлектрических характеристик.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы: методы решения уравнений математической физики, методы теплофизических и диэлектрических измерений, численные методы, теоретические основы информатики и вычислительной техники, статистические методы обработки результатов измерений.
Научная новизна:
-
-
Разработан метод для совместного определения степени отверждения по изменениям мощности тепловыделений и диэлектрических характеристик ПКМ при отверждении в условиях, близких к производственным, включающий в себя два этапа эксперимента: отверждение образца при монотонном нагреве, по данным которого определяется мощность тепловыделений и ТФХ при отверждении ПКМ; и последующий, после охлаждения, нагрев отвержденного образца в том же измерительном устройстве, по данным которого определяются ТФХ отвержденного ПКМ. Метод позволяет получать корреляционные зависимости между диэлектрическими характеристиками и степенью отверждения композитов.
-
Осуществлен выбор рациональных условий проведения эксперимента и геометрических параметров измерительного устройства, обеспечивающих минимальную методическую погрешность измерения диэлектрических характеристик и мощности тепловыделений композитов в процессе отверждения.
-
Исследована корреляция и экспериментально, с использованием разработанной АСК процесса отверждения ПКМ, определены корреляционные зависимости между диэлектрическими характеристиками и степенью отверждения, позволяющие контролировать и корректировать технологические режимы получения изделий из полимерных композитов.
Практическая значимость:
-
Разработана и изготовлена АСК процесса отверждения ПКМ по диэлектрическим характеристикам с возможностью встраивания ее в технологический процесс для контроля и коррекции режима отверждения.
-
Разработано и изготовлено измерительное устройство для совместного определения диэлектрических характеристик и мощности тепловыделений ПКМ при отверждении в условиях, близких к производственным.
-
Разработано алгоритмическое и прикладное программное обеспечение АСК процесса отверждения композитов, реализующее разработанные методы, а также комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении композитов.
-
С применением АСК экспериментально исследованы диэлектрические характеристики, мощность тепловыделений, полный тепловой эффект и корреляционные зависимости между диэлектрическими характеристиками и степенью отверждения ПКМ различных типов.
Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение:
в ФГУП «ВИАМ», г. Москва при исследовании теплофизических и кинетических характеристик отверждения углепластика КМУ-7 при изготовлении крупногабаритных толстостенных панелей;
в ОАО «Тамбоврезиноасботехника», г. Тамбов при разработке автоматизированной системы коррекции технологического режима получения асбестофрикционных изделий при отклонении свойств исходного сырья.
Апробация. Основные положения диссертации докладывались на
4 Всероссийской научной конференции «Динамика ПАХТ-94» (Ярославль, 1994), 2 Научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1995), 9 Международной конференции ММХ-9 (Тверь, 1995), Российской электрофизической школе (Тамбов, 1995), 2 Международной теплофизической школе (Тамбов, 1995), Всероссийской научно-технической конференции (Тамбов, 1995), 3 Научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996), 13 Симпозиуме по теплофизическим свойствам (Боулдер, Колорадо, США, 1997), Международной конференции «Термодинамический анализ и улучшение энергетических систем» (TAIES'97) (Пекин, Китай, 1997), 4 Всемирной конференции по экспериментальному теплопереносу, механике жидкости и термодинамике (EXHFT 4) (Брюссель, Бельгия, 1997), 3 Международной теплофизической школе (Тамбов, 1998), 17 Международном конгрессе (CHISA-2000) (Прага, Чехия, 2000), Международной конференции МГУ (Москва, 2001), Всероссийской научно-технической конференции (Пенза, 2001), 4 Международной теплофизической школе (Тамбов, 2001), 15 Международной научной конференции ММТТ-15 (Тамбов, 2002), Международной научно-технической конференции (Пенза, 2002), 10 Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002),
8 Научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2003), 5 Международной теплофизической школе (Тамбов, 2004), Всероссийской научной школе по проблемам нано- и микроэлектроники (Тамбов, 2011).Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 научные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 150 наименований и 8 приложений. Основная часть диссертации изложена на 153 страницах текста, содержит 42 рисунка, 2 таблицы.
Методы повышения интенсивности производства и качества изделий из ПКМ
Технология производства изделий из полимерных композитов на основе термореактивных связующих имеет ряд специфических особенностей, отличающих ее от других способов получения изделий, и включает в себя такие операции как приготовление исходного материала, т.е. смеси или препрега (армирующего наполнителя, пропитанного термореактивным связующим), формообразование и отверждение (рис. 1.1). В зависимости от технологии изготовления изделий процесс формообразования может быть совмещен с пропиткой или отверждением [1-4, 10-15].
Особенностью производства изделий из ПКМ является совмещение процесса получения материала и изделия из него в одной технологической операции при отверждении. Химическая реакция отверждения термореактивного связующего начинается с момента его приготовления, протекает во время пропитки им армирующего наполнителя, продолжается при хранении препрега, образовании из него формы будущего изделия и заканчивается в готовом изделии при его термообработке. Именно на этой стадии фиксируется форма изделия и создается структура ПКМ. Поэтому процессы, происходящие в связующем при отверждении, в решающей степени определяют технологию переработки ПКМ в изделие и эксплуатационные свойства материала.
В зависимости от конструкций изделий, требований к их эксплуатационным характеристикам и типа используемого ПКМ применяются несколько способов получения изделий из ПКМ (рис. 1.1). Из большого числа технологий наибольшее распространение получили: горячее прессование; вакуумирование; контактное формование; напыление; протяжка; пултрузия; намотка нитью, лентой или тканью армирующего материала, в которых реализуется два основных способа переработки: сухой и мокрый [1-4, 7,10-15].
По сухому способу изделия изготавливают из армирующего материала -полуфабриката, содержащего связующее, свободное от растворителей. Такие материалы получают путем пропитки наполнителя раствором связующего с последующим удалением растворителей сушкой. Это препреги, премиксы, дозирующиеся пресс-материалы. При изготовлении изделий по мокрому способу пропитка армирующего наполнителя, происходит непосредственно в процессе формообразования изделий.
При любом методе переработки ПКМ на материал оказывают давление (от десятых долей атмосферы до сотен атмосфер) для придания изделию необходимой конфигурации и уплотнения материала [1-4, 7, 10-15].
Наибольший интерес с экономической точки зрения представляют технологии получения крупногабаритных толстостенных изделий с высокими прочностными характеристиками, стоимость которых значительна и оптимальное управление процессом получения которых является актуальной проблемой. Основными технологиями здесь являются горячее прессование и вакуумное формование.
Метод прессования имеет три разновидности: прямое прессование (или компрессионное), литьевое прессование (или трансферное) и прессование с предварительным формованием заготовок [11, 15, 17].
Вакуумное формование предусматривает предварительную выкладку пре-прега и технологических слоев на формообразующую оснастку с последующей герметизацией эластичной диафрагмой (термостойкой пленкой). Отверждение изделия происходит в составе технологического пакета при повышенной температуре, внешнем давлении и разряжении (вакуумировании) внутри пакета [3].
Отверждение связующего в изделии при вакуумировании производится в специальных полимеризационных печах — автоклавах, причем в ряде случаев при отверждении изделие опрессовывают в обогреваемых формах.
Высокое качество изделий из ПКМ при прочих равных условиях обеспечивается на заключительной стадии производства при термическом отверждении связующего. Качество получаемого изделия непосредственно зависит от параметров режима проведения процесса. Существенное влияние на качество оказывают также свойства исходных материалов, которые могут варьировать вследствие различной продолжительности времени между операциями приготовления исходного сырья и отверждения, а также замены и вариации соотношения ингредиентов и вспомогательных материалов композита в разрешенных регламентом пределах [1-4, 7,10-15].
Несмотря на внешнее различие методов получения изделий из ПКМ в них возникают сходные проблемы, проблема контроля и управления качеством изделия на стадии отверждения и проблема повышения производительности оборудования.
Методы повышения интенсивности химико-технологических процессов весьма разнообразны. Известны методы, основанные на ускорении протекания физико-химических процессов [18, 19]; другие - базируются на интенсификации работы технологического оборудования за счет автоматизации и оптимизации всех стадий производства: исследования, проектирования, контроля, коррекции и управления [1,2]. Следует заметить, что эти два подхода не только не конкурируют между собой, они взаимно дополняют друг друга.
Технологический процесс получения изделий из ПКМ является сложным, энергоемким и довольно продолжительным по времени. Он относится к числу периодических химико-технологических процессов. Поэтому вопрос повышения интенсивности производства изделий из ПКМ в значительной степени связан с производительностью технологических операций получения ПКМ, таких как формообразование, отверждение, термообработка и охлаждение.
Неотъемлемой частью повышения интенсивности процесса получения изделий из термореактивных ПКМ является их качество, которое, главным образом, определяется свойствами отвержденного материала, его макро- и микроструктурной и геометрическими параметрами готового изделия. Зависимость качества изделий от параметров переработки, исследованная в работах [20-25], определяется, в основном, режимом отверждения, температурно-конверсионной однородностью, достигнутой степенью отверждения, степенью термической деструкции связующего, а также остаточными напряжениями.
Важнейшими условиями оптимальной технологии отверждения термореактивных ПКМ, которые обеспечивают высокое качество изделий по физико-механическим свойствам и большую стабильность этих свойств по времени, являются следующие [2, 10, 14, 23]:
Разработка математической модели процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании
Преобразователи с внешним электрическим полем позволяют измерять диэлектрические характеристики композита при одностороннем доступе к нему, поэтому будет оправданным использование для измерения диэлектрических характеристик емкостного планарного преобразователя [58], являющегося конденсатором особой конструкции у которого электроды находятся в одной плоскости [56, 57]. Внешнее электрическое поле такого преобразователя неоднородно и его напряженность уменьшается с ростом расстояния от плоскости электродов, поэтому емкостной планарный преобразователь удобно применять в том случае, когда обеспечивается достаточно плотный прижим преобразователя к исследуемому материалу. Технологический процесс производства изделий из полимерных композиционных материалов характеризуется применением высоких давлений, следовательно, в нем гарантируется плотный прижим преобразователя к образцу. Таким образом, применение планарного преобразователя для определения диэлектрических характеристик ПКМ при отверждении является оправданным.
Поскольку такой преобразователь обладает внешним (рассеянным) электрическим полем, то на результат измерения будут существенно влиять попадающие в это поле детали оснастки, в которую помещен отверждаемый композит. Следовательно, для использования емкостного планарного ПИП необходимо рассчитать его геометрические параметры, от которых зависят напряженность и распределение электрического поля, и в конечном итоге, чувствительность и точность.
Для измерения емкости и диэлектрических потерь могут использоваться как специально разработанное оборудование, так и промышленно изготавливаемые приборы. Вследствие того, что создаваемая методика имеет целью не разработку новых методик измерения диэлектрических характеристик, а изучение возможности определения корреляционных зависимостей между кинетикой отверждения ПКМ и их диэлектрическими характеристиками, то технически целесообразно и экономически более эффективно применение для этого промышленно изготавливаемых приборов. К тому же, точность таких приборов достаточно высока, они метрологически проработаны и, как правило, оснащены интерфейсом сопряжения с персональным компьютером (называемым также каналом общего пользования — КОП), позволяющим их встраивать в автоматизированные системы. Приборов специального назначения, позволяющих измерять диэлектрические характеристики композитов в процессе их отверждения, промышленностью не выпускается. Поэтому в разработанной АСК для измерения электрической емкости и диэлектрических потерь использован универсальный измеритель иммитанса.
Для контроля процесса отверждения изделий только при одностороннем доступе к нему в разработанной АСК применяются так называемые планар-ные преобразователи, т.е. конденсаторы определенной конструкции, у которых электроды расположены в одной плоскости [56-58]. Они обычно представляют собой подложку, на которую нанесены электроды в виде определенного рисунка. Такой рисунок может представлять собой концентрические кольца, эквидистантную спираль Архимеда, меандр и др. Выбор типа рисунка преобразователя зависит от специфики композита, который предстоит контролировать, от конструкции оснастки, внутри которой находится контролируемый материал и некоторых других факторов.
В работах [56-58] описаны емкостные планарные ПИП разнообразных форм, конструкций и геометрических размеров, а также приведены некоторые зависимости для их расчета. Обобщая эту информацию, можно сделать следующие выводы: - разнообразие конструкций, геометрии и типов рисунков планарных емкостных преобразователей обусловлено, главным образом, заданием необходимой конфигурации электрического поля; - для уменьшения влияния рассеяния электрического поля на результат измерений, а также повышения точности и чувствительности преобразователя применяется охранный электрод, расположенный в плоскости измерительных электродов или параллельно им; - подложка, на которую помещены электроды, должна быть выполнена из малопористого материала, с низким коэффициентом температурного линейного расширения, диэлектрические и прочностные характеристики которого имеют высокую временную стабильность и малую температурную зависимость.
Анализируя различные формы емкостных планарных ПИП и типы рисунков электродов, можно сделать вывод, что наиболее простой в изготовлении и расчете, и, в то же время, достаточно эффективной с точки зрения величины электрической емкости и малой погрешности измерений для контроля процесса отверждения ПКМ, является прямоугольная форма преобразователя [58]. При этом электроды представляют собой гребенки с перекрещивающимися зубцами (рис. 2.3). Измерительные электроды 1, с целью коррозионной стойкости к химически агрессивным кислотосодержащим связующим, выполнены из высоконикелевого пермаллоя и приклеены высокотемпературным клеем к подложке 3. Электроды имеют ширину 5 и расстояние между электродами 80. Охранный электрод 2 изготовлен из того же материала, что и измерительные электроды и помещен с противоположной стороны подложки 3. Подложка 3 выполнена из полиимидного стеклопластика, для которого характерны малая пористость, невысокая зависимость диэлектрических и прочностных свойств от времени (старение) и низкий температурный коэффициент линейного расширения. Относительно небольшая пористость подложки уменьшает возможность ее загрязнения продуктами, выделяющимися при отверждении образцов исследуемого композита, что снижает погрешность измерения, так как такие продукты могут существенно изменять диэлектрические характеристики подложки. Малая скорость старения материала подложки обеспечивает практически постоянную величину погрешности преобразователя на протяжении достаточно длительного времени.
Выходным сигналом планарных преобразователей является величина их электрической емкости, которая зависит не только от диэлектрической проницаемости контролируемого материала, но и от геометрических параметров самого преобразователя.
Выбор средства измерения диэлектрических характеристик в АСК процесса отверждения ПКМ
Чтобы правильно сконструировать измерительное устройство и выполнить эксперименты, в соответствии с разработанными методами измерений, необходимо провести анализ возможных источников погрешностей. Такой подход позволяет последовательно и тщательно исследовать причины погрешностей и указать пути получения более точных значений определяемых параметров [103,104].
Полученные в главе 2 методы определения параметров математической модели процесса отверждения ПКМ по способу нахождения числового значения физической величины относятся к косвенным методам измерения, т.к. в ходе эксперимента непосредственно измеряются не сами интересующие нас параметры, а другие величины (температура, тепловой поток, толщина, электрическая емкость и др.), функционально связанные с определяемыми параметрами. Измерив экспериментально эти величины, искомые параметры вычисляют с помощью математической модели, положенной в основу использованного метода измерения. Таким образом, основными источниками погрешностей измерений являются инструментальные погрешности применяемых средств измерений температуры, теплового потока, толщины и других величин, а также методические погрешности, разработанных расчетных формул и уравнений [103, 114-116].
Инструментальные погрешности, к которым относятся погрешности градуировки ПИП, погрешности, связанные с условиями их применения, погрешности обработки и преобразования сигнала, как правило, нормированы и заранее известны, поэтому, в зависимости от требуемой точности измерений, могут быть выбраны средства измерений с соответствующей погрешностью.
Методические погрешности, возникают из-за несовершенства разработанных методов и моделей, положенных в основу метода измерений, несоответствия измеряемой величины ее модели, а также других неучтенных причин и являются трудноустранимыми погрешностями. Следовательно, основным источником погрешностей являются методические погрешности полученных расчетных формул, которые необходимо рассмотреть подробно.
Методические погрешности возникают вследствие следующих причин: 1. Несоответствие математической модели, использованной для получения расчетных формул, физическому объекту, реализованному в экспериментальной установке, возникающее вследствие следующих допущений: 1.1 исследуемый образец имеет форму неограниченной пластины, и температурное поле в нем имеет одномерное распределение; 1.2 анизотропия наполнителя образца ориентирована перпендикулярно направлению градиента температуры и не оказывает влияния на процесс распространения тепла; 1.3 внутренние источники тепла отражают только химическую реакцию отверждения и зависят от времени; 1.4 течение связующего в экспериментальной установке и выделение летучих компонент связующего пренебрежимо мало или они не оказывают заметного влияния на процесс отверждения; 1.5 термическое сопротивление исследуемого образца с нагревателями измерительной ячейки, невелико, т.к. исследуемый образец в начале исследования имеет неотвержденное вязкотекучее связующее и деформируемый наполнитель, вследствие чего внешнее давление на образец обеспечивает хороший прижим образца к нагревателям и малое термическое сопротивление.
2. Экспериментальные данные, содержащие случайные погрешности, сглаживаются сплайн-функциями, хотя операция сглаживания может привести к возникновению систематической погрешности, а при необосновано высокой степени сглаживания - к потере полезной информации.
3. При реализации расчетных формул возникает необходимость вычисления производной от экспериментально зарегистрированных функций, операция вычисления которой является некорректной задачей и источником погрешностей. Для регуляризации операции вычисления производной применяется сглаживание экспериментальных данных, приводящее также к возникновению погрешностей.
4. Непрерывные во времени и пространстве опытные данные измеряются только в некоторые моменты времени и в некоторых точках пространства и представляются как табличные величины, дискретные по времени и квантованные по уровню. Поэтому возникают погрешности дискретизации и квантования экспериментальных данных.
Таким образом, рассмотрены основные причины и источники методических погрешностей, возникающих при исследовании параметров процесса отверждения ПКМ. Источники погрешностей, указанные в пунктах 1 и 4, можно проанализировать и оценить только непосредственно на разработанной и изготовленной экспериментальной установке с помощью эталонных образцов. Погрешности, возникающие вследствие причин 2 и 3, можно оценить на этапе разработки метода определения мощности тепловыделений и диэлектрических характеристик. Для их оценки воспользуемся тестированием (имитационным моделированием) решения обратных задач и исследуем методические погрешности, а также устойчивость разработанных алгоритмов определения параметров математической модели.
Для оценки предельных допустимых основных погрешностей разработанных методов и АСК в виде суммы составляющих, необходимо сопоставить полученные результаты экспериментов с результатами измерений других авторов [117]. Эта оценка позволила бы учесть погрешности, связанные непосредственно с преобразованием измеренных сигналов, инструментальной погрешностью измерительной аппаратуры и другими погрешностями, возникающими при измерениях, т.е. учесть весь процесс получения и обработки информации. Однако в настоящее время не выпускается стандартных приборов для исследования корреляционных зависимостей между калориметрической и диэлектрической степенью отверждения, а литературные данные не надежны и противоречивы. Поэтому для оценки предельных допустимых основных погрешностей разработанных методов и АСК в целом воспользуемся теоретической оценкой погрешности и проверкой воспроизводимости результатов экспериментов.
Как правило, при анализе и оценивании погрешность измерения обычно представляют в виде суммы случайных и систематических составляющих. В качестве основной характеристики случайной погрешности измерений обычно используют среднеквадратическую погрешность [116-120].
В разработанной АСК каждый канал включает в себя несколько последовательно соединенных блоков преобразования сигнала, каждый из которых может являться источником погрешностей [117]. Тогда среднеквадратиче-ская погрешность (СКП) измерения в АСК определяется по формуле
При невозможности определения погрешностей всех блоков преобразования сигнала, можно определить погрешности основных физических величин, непосредственно измеряемых в эксперименте, которые имеют следующие погрешности: - абсолютная погрешность измерения напряжения Д/„ не превышает одной ступени квантования АЦП и составляет 0,01 В, а относительная погрешность 3UH в середине диапазона при напряжении 10 В соответственно - 0,1 %; - абсолютная погрешность измерения температуры AT с помощью термопар с учетом градуировки составляет дТ=±ЗК; - абсолютная погрешность канала измерения температуры с учетом уровня квантования АЦП составляет ±0,25 К, относительная погрешность измерения температуры в эксперименте оценивается в пределах 5Г=0,2 %; - относительная погрешность измерения времени t оценивалась по отклонению показаний внутреннего таймера ПК, используемого в АСК для отсчета времени, от сигналов точного времени и составляет 1 с за 5 суток, т.е. 0,0002%, следовательно, ввиду малости может не учитываться в дальнейших оценках погрешностей; - относительная погрешность скорости изменения температуры в эксперименте определяется погрешностью измерения температуры, времени и математическим методом вычисления производной и оценивается в пределах 8Г-0,3 %. - относительная погрешность определения толщины, составляет SL=0,25 %; - относительные погрешности измерения электрической емкости и фактора диэлектрических потерь составляют 5є=0,1 % и 8(/gS)=0,15 %.
Используя эти оценки на основе расчетных формул (2.22), (2.23), (2.34), (2.38) - (2.53), с применением методики теории погрешностей [116-120], можно получить теоретические оценки среднеквадратичных относительных погрешностей 8 определения мощности тепловыделений W(t), полного теплового эффекта Q(t), диэлектрической проницаемости при отверждении Єр, фактора диэлектрических потерь tgb и корреляционной зависимости между калориметрической и диэлектрической степенью отверждения Ч ( р ).
Оценка погрешностей метода и алгоритма определения мощности тепловыделений при отверждении ПКМ
Для определения корреляционной зависимости диэлектрической проницаемости от кинетики или степени отверждения использовались данные совместных экспериментов исследования с(Г,Р), Х(Т$), W{t), Q{i) и Qn, а также є и tgS [123, 126, 130-135, 137, 139, 142]. Значения є и tgb рассчитывались по изменению емкости планарного ПИП и диэлектрических потерь при отверждении. Температурные зависимости диэлектрических характеристик отвер-жденного материала гот(Т) определялись во втором этапе при повторном нагреве отвержденных образцов в монотонном режиме одновременно с регистрацией температурного распределения в образце, предназначенного для расчета теплофизических характеристик ст(Т), Х0Т(Т) отвержденного ПКМ. Температурные зависимости диэлектрической проницаемости неотвержденного материала єН0(Т) определялись по начальному участку диэлектрической проницаемости отверждающегося ПКМ Єр до температуры Tw начала интенсивной реакции отверждения.
Диэлектрические характеристики є, tgb и диэлектрическая степень отверждения Р в сравнении с калориметрической степенью отверждения Р четырех различных типов ПКМ, исследованных в монотонном режиме нагрева, представлены на рис. 5.12-5.15.
Закономерность изменения диэлектрических характеристик є, tgb по времени согласуется с данными, приведенными в [62, 65] для других типов ПКМ. Началу интенсивной реакции отверждения соответствует резкое снижение тангенса угла диэлектрических потерь tgb (см. рис. 5.12-5.15). Диэлектрическая проницаемость єр в конечной стадии эксперимента при высокой степени отверждения р сливается с диэлектрической проницаемостью отвер-жденного материала єот(Т), что соответствует переходу ПКМ в отвержденное состояние.
Анализ начального участка диэлектрической проницаемости єр при отверждении, а также диэлектрической проницаемости отвержденного ПКМ єот при повторном нагреве позволил сделать вывод, что температурные зависимости гт(Т) и гот(Т) имеют квадратичный характер и могут быть аппроксимированы выражениями вида: z»o(T) = zmQ+ «oT + zHOT2, (5.1) М7 Єот0+Єот/ + ЄоТ/2 (5-2) где єно , єно , єн0 - аппроксимирующие коэффициенты для неотвержден-ного препрега; єот , єот , єот - аппроксимирующие коэффициенты для полностью отвержденного материала.
При аппроксимации гН0(Т) следует учитывать, что увеличение степени полинома может привести к непредсказуемым результатам вследствие использования ен0(Т) в режиме экстраполяции в пределах от начала интенсивной реакции отверждения до ее окончания. Менее критична к степени полинома зависимость єот(Г), которая может быть заменена табличным представлением и служит только для усреднения экспериментальных данных єот(7).
На основе проведенных экспериментов (см. рис. 5.12-5.15) и полученных данных, по методике, изложенной в предыдущем параграфе, рассчитаны корреляционные зависимости Р, представляющие собой таблицы соответствия диэлектрической степени отверждения Р и калориметрической степени отверждения р. Результаты соответствия, являющиеся корреляционными зависимостями Р(є) = Ч уЗ(є)), представлены на рис 5.16-5.19. Для удобства их дальнейшего использования при расчете диэлектрического представления калориметрической степени отверждения p(s) на основе нескольких экспериментов для каждого исследованного материала получены уравнения регрессии, приведенные на соответствующих графиках (см. рис 5.16-5.19).
Корреляционная зависимость калориметрической Р и диэлектрической Р степени отверждения асбосмеси 143-63 на основе синтетического каучука
Анализ корреляционных зависимостей позволил выявить, что для различных типов ПКМ наилучшее приближение Ч/ к единице дают модели, соответствующие структуре материала, но универсальной для всех ПКМ является вторая модель [150]. Поэтому дальнейшие исследования и расчеты проводили с использованием этой корреляционной зависимости. Полученные экспериментальные корреляционные зависимости в виде соответствующих коэффициентов уравнений регрессии внесены в базу данных АСК и готовы к использованию для контроля процесса отверждения промышленно изготавливаемых изделий из ПКМ [123, 139-142, 145, 149].
Апробация созданной АСК проведена путем экспериментального исследования и контроля процесса отверждения стеклопластика СТ-69Н в ступенчатом режиме. Исследованию и контролю подвергался образец толщиной 7,4 мм.
Воспроизводился одноступенчатый режим. Скорость нагрева -17 К/мин. Температурная выдержка - 120С. В процессе эксперимента измерялись температура Тв, Гн на верхней и нижней поверхностях образца, Ті и Ті - по толщине образца, а также диэлектрические характеристики при отверждении, т.е. емкость ЕПИП С и фактор диэлектрических потерь tgb. Экранная форма работы автоматизированной системы контроля представлена на рис. 5.20.
На основе измеряемой в процессе отверждения электрической емкости С ЕПИП в режиме реального времени сначала рассчитывается диэлектрическая проницаемость є, по которой вычисляется диэлектрическая степень отверждения (3 , а затем на основе корреляционной зависимости (Р) также в режиме реального времени рассчитывается диэлектрическое представление калориметрической степени отверждения Р(є). Таким образом, результатом работы АСК является степень отверждения Р(є) предназначенная для управления процессом отверждения композитов в режиме реального времени.
Из рис. 5.20 видно, что измеряемое в процессе отверждения значение тангенса угла диэлектрических потерь tgb, имеет четко выраженный минимум, который на графике соответствует началу реакции отверждения, что характеризуется повышением значения степени отверждения р.
Степень отверждения P(s), полученная из диэлектрических измерений в режиме реального времени, позволяет контролировать процесс отверждения путем сравнения значений Р(є) с регламентными значениями, рассчитанными при оптимизации температурно-временного режима для свежеприготовленного препрега. В случае отклонения в ходе процесса отверждения получаемого значения Р(є) от регламентного, вызванного частичным отверждением связующего при длительном хранении или разбросе свойств препрега, для обеспечения качественных показателей изделий из ПКМ целесообразно на основе значений р(є) корректировать температурно-временной режим отверждения [140, 141, 143,145, 148-150].
Традиционное управление процессом отверждения изделий из композитов базируется на поддержании температурно-временного режима, найденного ранее на основе номинальных свойств исходного материала без учета их нестабильности и разброса в реальном производстве [2, 27-30, 98].
Нами предлагается, наряду с традиционным подходами управления, проводить коррекцию режимов отверждения ПКМ с использованием контроля степени отверждения в режиме реального времени.
Похожие диссертации на Метод и автоматизированная система контроля процесса отверждения полимерных композитов по диэлектрическим характеристикам
-
