Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и трудности формирования из мерительной информации при диэлькометрии дисперсных систем 14
1.1 Операторы и функционалы диэлькометрии 14
1.2 Особенности диэлектрических характеристик гетерогенных материалов 19
1.3 Термодинамика неравновесных дисперсных систем 25
1.4 Методология информационной оптимизации измерительных средств. 30
1.5 Техническое обеспечение диэлькометрии 35
Выводы к первой главе 46
Постановка задачи исследования 47
2 Развитие метода диэлькометрического контроля дисперсных систем на основе аппарата неравновесной термодинамики 49
2.1 Методология применения аппарата неравновесной термодинамики к нестационарным анизотропным дисперсным дис-сипативным диэлектрикам. 49
2.2 Бинарная модель системы растворения . 56
2.3 Диссипативно-структурная модель неравновесной дисперсной системы 68
2.4 Физико-химическое моделирование неравновесных дисперсных систем. 74
Выводы к второй главе 89
3 Разработка информационного и методического обеспечения диэлькометрического контроля неравновесных дисперсных систем 91
3.1 Анализ функциональной схемы диэлькометрической информационно-измерительной системы 91
3.2 Формирование измерительной информации в диэлькометрических ИИС 99
3.3 Помехоустойчивость диэлькометрических ИИС 106
3.4 Разработка методологии повышения информативности диэлькометрии 111
Выводы к третьей главе 120
4 Разработка методов и средств получения и первичной обработки информации в системах диэлькометрического контроля неравновесных объектов 122
4.1 Электрические модели ПИП неравновесных дисперсных систем 122
4.2 Особенности проектирования ПИП неравновесных дисперсных систем 126
4.3 Обработка первичных данных на основе электрического и физического моделирования дисперсных систем 143
4.4 Обработка экспериментальных данных на основе теории графов. 149
4.5 Метрологическое обеспечение диэлькометрии неравновесных систем. 163
Выводы к четвертой главе 170
5 Разработка методов и проектирование средств вторичной обработки информации диэлькометрических систем контроля не равновесных сред . 172
5.1 Принципы и потенциальные возможности инвариантного преобразования составляющих проводимости CG-двухполюсников 172
5.2 Прямое измерительное преобразование составляющих CG — двухполюсников в широком диапазоне частот. 176
5.2.1 Переходная характеристика 178
5.2.2 Измерительная цепь в режиме питания гармоническойЭДС. 180
5.3 Вариационный принцип измерения параметров CG-двухполюсников 186
5.4 Проектирование специализированных модулей 191
5.4.1 Релаксационные преобразователи 191
5.4.2 Автогенераторные преобразователи. 205
5.5 Преобразователи на основе параметрической модуляции. 209
5.6 Особенности детектирования сигналов и варикапного управления во вторичных приборах. 221
Выводы к пятой главе 223
6 Реализация, внедрение и испытания средств диэлькометрического мониторинга . 225
6.1 Особенности проектирования и испытания многофункциональных диэлькометрических средств. 225
6.1.1 Синтез функциональных схем диэлькометров на основе вариации параметров контуров 225
6.1.2 Испытания многофункциональных диэлькометров. 239
6.2 Проектирование внедрение и испытания средств операционного контроля квазиравновесных дисперсных систем 245
6.3 Проектирование внедрение и испытание средств операционного контроля неравновесных дисперсных систем. 256
6.4 Проектирование системы диэлькометрического мониторинга водных природных сред 266
Выводы к шестой главе 277
Основные результаты и выводы 278
Литература
- Особенности диэлектрических характеристик гетерогенных материалов
- Бинарная модель системы растворения
- Формирование измерительной информации в диэлькометрических ИИС
- Обработка первичных данных на основе электрического и физического моделирования дисперсных систем
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции не может быть решена без совершенствования методов и средств контроля' её параметров на всех стадиях производства. В современных условиях традиционные физико-химические и механические методы испытаний часто не обеспечивают необходимой оперативности контроля технологических параметров веществ и материалов, или связаны с разрушением готовых изделий, что приводит к значительным материальным; потерям и тормозит повышение эффективности производства. Особенно трудна задача технологического контроля при производстве материалов со сложной, изменяющейся во времени и > пространстве, дисперсной структурой. К ним относятся цементы, бетоны, коагулянты, водно-керамические вяжущие системы, защитные покрытия металлов, поддонов и * изложниц, пищевые, сельскохозяйственные и нефтепродукты, технологические растворы электролитов в медном, цинковом производствах и радиотехнической промышленности, химико-фармацевтические препараты, и др. Так, определение удельного содержания фаз вяжущих смесей, химреактивов, пищевых продуктов, медпрепаратов весьма продолжительно. Прочность цементного камня определяется после многосуточного твердения, при ЭТОМ ДО' 1% готовых изделий подвергается разрушению, концентрация раствора электролита и протекающие в нем процессы определяют скоростные и стоимостные показатели соответствующих техпроцессов.
Технологический контроль производства медного и цинкового концентрата, коагулянтов, химреактивов, некоторых пищевых продуктов проводится в условиях резкой неравновесности, вызванной бурным протеканием химических реакций, использованием кипящего слоя, конвективных потоков. Поэтому известные способы контроля кинетики химических реакций, перестройки структуры разбавляемых растворов электролитов, гидратационных и водно-керамических вяжущих веществ, клеев, плава сульфата алюминия и
многих других неравновесных дисперсных систем не позволяют управлять ходом этих процессов и качеством выпускаемой продукции. Повысить эффективность технологического контроля г дисперсных систем иг обеспечить возможность автоматизации их производства при высоком качестве готовой продукции можно на основе использования косвенных, неразрушающих методов измерений.
Одним из перспективных методов технологического контроля многофазных: материалов является диэлькометрический метод, основанный; на взаимодействии электрического поля с веществом. Теория метода базируется на трудах Д.К. Максвелла, Г.А. Лоренца, К.В. Вагнера, П.Дебая, Г. Фрелиха. Методике диэлькометрии посвящены классические работы Г.И. Сканави, В. Брауна, Ф. Эме и современные исследования Т. Ханаи, С.Вена, ДіД.Л. Хунга, Г.П. де Лоора, А.А. Потапова, О.И.Гудкова. Технические приложения к системам контроля диэлектрических характеристик композитных материалов созданы в институте механики полимеров (Латвия) под руководством И.Г. Матиса, горных пород - в С.-Петербургском горном университете школой Е. С. Кричевского, строительных материалов и конструкций, - лабораторией Московского института строительной физики под руководством В1С. Ройфе. Серийный выпуск диэлькометров освоен под руководством Ю.В.Подгорного Ангарским ОКБ А. Наиболее разработана диэлькометрическая влагометрия трудами А.Ю. Бера и Ю.П. Секанова (НПО «Агроприбор»), Т.Я. Гораздов-ского (Московское НПО«Спектр»), В.И. Корякова и А.С. Запорожец (Уральский НИИ метрологии), В.П1 Катушкина (С.-Петербургский технологический университет) и многими другими..
Существенная зависимость составляющих є' и є" эффективных диэлектрических проницаемостей є* дисперсных систем от структуры, химического и фазового состава, характера и интенсивности взаимодействия их фаз, специфическое взаимодействие: с внешней средой, в принципе, позволяет контролировать фазовый состав и состояние дисперсной системы не только в момент наблюдения, но и прогнозировать свойства конечных продуктов.
Однако, методы анализа процесса измерительного преобразования технологических параметров в диэлектрические; величины развиты слабо, а известные способы и средства не обеспечивают необходимой точности измерения диэлектрических проницаемостей; неравновесных дисперсных систем с. повышенной удельной проводимостью аг. В результате методы количественного контроля, в частности, функции преобразования удельного содержания фаз в электрические величины, известны только для узкого круга материалов и веществ. Обычно они определяются для равновесного влагосодержания. А возможность качественного анализа* и: кинетического контроля диэлькомет-рическим методом характеристик интенсивных процессов изменения состава и перестройки структуры неравновесных дисперсных систем вообще не изучены.
Таким образом, существует крупная научная проблема создания методологии диэлькометрии неравновесных дисперсных систем и диэлькометри-ческих средств^ оперативного контроля основных технологических параметров многофазных нестационарных и анизотропных материалов с повышенной проводимостью, имеющая важное народнохозяйственное значение. Научно обоснованные технические решения в рамках этой проблемы позволят снижать издержки производства и повышать качество выпускаемой продукции во многих отраслях народного хозяйства, что внесет значительный вклад в развитие экономики страны.
Цель работы. Разработка научных основ применения диэлькометриче-ского метода для создания новых, совершенствования известных и расширения сферы внедрения действующих систем технологического контроля фазового состава и процессов структурообразования неравновесных дисперсных материалов.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические методы исследования основаны на использовании неравновесной термодинамики, физической химии, химической кинетики,
электродинамики, физики диэлектриков, электрохимии, теории вероятностей, теории возможностей, теории решений и математической статистики.
При создании моделей и имитаторов использовались методы математического, физического и компьютерного моделирования, теория графов и теория множеств. Разработка ПИП велась на основе теории поля. Исследование процессов формирования и обработки измерительных сигналов проводилось топологическими методами -. на основе теории информации, теории сигналов, эпистемологии и корреляционного анализа.
Синтез методов и средств измерений базировался; на системологии, системотехнике и теории цепей.
Экспериментальные исследования,созданных средств измерения проводились по действующим методикам и стандартам с применением калибровочных образцов и поверенных средств измерений. Обработка данных проводилась методами математической статистики.
Экспериментальные исследования неравновесных дисперсных систем проводилась на натуральных образцах в два этапа. Первичные исследования выполнялись в лабораторных условиях имитационными методами. Приемосдаточные испытания проводились в производственных условиях.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждены сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными путем моделирования или натуральных испытаний с последующим внедрением разработанных методов и средств в исследовательскую практику и производство..
Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе,. базируются на фундаментальных положениях теоретической физики и химической кинетики и хорошо согласованы, с современными научными представлениями и данными, полученными из отечественных и зарубежных информационных фондов, а также подтверждаются собственными оригинальными исследованиями и их представительным обсуждением по публикациям в академических изданиях и выступлениям на международном уровне.
Основные технические решения защищены авторскими свидетельствами и внедрены в производство.
Градуировка и калибровка і созданных исследовательских установок проводилась путем сравнения с мерами, подготовленными из образцовых радиокомпонентов, параметры которых измерялись аттестованными средствами измерения.
Градуировка средств технологического контроля проводилась с помощью і натуральных образцов, подготовленных соответствующими специализированными лабораториями.
Экспериментальные исследования і проводились, откалиброванными средствами измерений, с использованием дополнительной поверенной аппаратуры и стандартных или калибровочных образцов.
Научная новизна
Впервые разработана хорошо согласованная j с экспериментом теория переходных процессов, протекающих при растворении:бинарных системі электролитов, позволяющая проектировать на новой (принципиальной основе способы и средства контроля быстрых химических реакций;
Развита активно-диссипативная кинетическая модель процесса гид-ратационного твердения;вяжущих материалов, позволяющая с термодинамических позиций объяснить корреляцию временных диэлектрических и реологических характеристик вяжущих систем. Доказана возможность контроля по продолжительности экстремумов диэлектрических характеристик сроков схватывания цементов, мономинеральных и водно-керамических вяжущих, а также долговременного прогноза прочности цементного камня;
Разработан способ контроля степени высыхания и удельного содержания теофеллина= в эуфиллине по характеру изменения; є" или/5=е'7г'
в релаксационной области;
4. Разработан и экспериментально подтвержден способ графоаналити
ческой обработки измерительной информации на основе выделения в нерав
новесной системе невзаимодействующего базиса с помощью физической
II двухфазной модели, образованной квазииндифферентными фазами;
Предложены новые способы повышения информативности средств диэлькометрического контроля неравновесных дисперсных систем за счет временного, пространственного или скоростного мультиплицирования каналов измерения;
Развиты фазокомпенсационный и вариационный способы независимого определения составляющих комплексной проводимости емкостных датчиков, расширяющие функциональные возможности диэлькометрических средств измерений;
Разработан и экспериментально подтвержден способ автоматической установки плотности тока при электроосаждении цветных металлов, на основе определения площади электродов по величине проводимости гальванопары;
Разработана концепция интегрального экологического мониторинга водных сред.
Практическая ценность работы.
Развитие теоретических основ диэлькометрии неравновесных дисперсных систем позволило создать новый класс аналитических приборов: ди-элькометрические кинетические анализаторы, которые реализованы, в частности, в приборах АДСА-2, АДСА-ЗМ и ТДТ - для определения сроков схватывания вяжущих строительных материалов в процессе гидратационного твердения, в приборе КА-2 - для операционного контроля хода химических реакций кислотного разложения гидроксидов и блоке управления гальванической установки DYNA PLUS - для автоматической регулировки плотности тока при металлизации печатных плат.
Созданные в работе методы повышения информативности и достоверности результатов измерений позволяют идентифицировать факторы, определяющие структуру, свойства и процессы в неравновесных дисперсных системах и оптимизировать число измерительных каналов, рабочие частоты, информативные параметры технологических диэлькометрических средств.
Созданные и защищенные авторскими свидетельствами принципы построения диэлькометрических средств позволяют создавать компьютеризированные исследовательские установки на базе типовых средств измерения и использованы при создании и внедрении одно- и двухпараметровых диэль-кометров, обеспечивавших экспрессное, независимое измерение составляющих диэлектрической проницаемости многофазных материалов с tg5Max< 50. Такие устройства позволяют определять фазовый состав и период структуро-образования нестационарных систем и могут быть использованы для контроля других технологических параметров, функционально связанных с диэлектрической проницаемостью контролируемых веществ и материалов, в частности повышать точность автоматической установки плотности тока при электроосаждении металлов.
Методология проектирования двухпараметровых диэлькометров использована при разработке влагомеров зерна, торфа, эуфиллина, пищевых дрожжей, обеспечивающих лучшую инвариантность к географическим, климатическим факторам и сорту измеряемого продукта, чем известные.
Методы моделирования, развитые в работе, использованы для создания стандартных и калибровочных образцов различных материалов и продуктов.
Принципы построения измерительных устройств, предложенные структуры измерительного и функционального преобразования использованы при проектировании систем экологического и технологического мониторинга, создании и внедрении технологического диэлькометрического тестера, измерителя площади металлизации.,
Реализация и внедрение работы. Результаты работы и созданные средства операционного контроля используются на предприятиях и в научно-исследовательских организациях Уральского и Поволжского регионов.
Способ контроля степени высыхания и электронный анализатор влажности ОСП-З внедрены на Свердловском заводе медпрепаратов, влагомер: торфа ВТД-ЗМ- в производственном объединении «Свердловскторф», анали-
затор влажности и подъемной силы сухих дрожжей АСД-1 - на Сарапуль-ском дрожжепивзаводе. Освоен серийный выпуск влагомеров зерна «Колос».
Методы моделирования, методики аттестации стандартных образцов и диэлькометрический спектроанализатор АДСА-2 внедрены в Уральском научно-исследовательском институте метрологии (УНИИМ). Способы операционного технологического контроля и технологический диэлькометрический тестер ТДТ - на Нижнє -Тагильском цементном заводе.
Методика контроля процессов гальванической металлизации печатных плат и измеритель площади металлизации внедрены на Сарапульском радиозаводе.
Теория диэлькометрического контроля неравновесных дисперсных систем, методы моделирования, калибровки и аттестации средств измерений внедрены в учебный процесс в ИжГТУ.
Апробация работы. Исследования и испытания разработанных средств диэлькометрического контроля проводились на Нижне-Тагильском цементном заводе, в Свердловском ДСК, научно-исследовательских институтах УНИИМ и УНИХИМ, в Главсредуралстрое, на Сумском ПО «Химпром».
Материалы диссертации были доложены на 21 конференциях и совещаниях.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 39 статьях, учебном пособии и двух монографиях. По результатам проведённых исследований получено 19 авторских свидетельств и патентов.
Диссертационная работа изложена на 362 страницах машинописного текста, иллюстрируется 90 рисунками и фотографиями и состоит из введения, шести глав, библиографии из 352 наименований на 34 страницах и приложений на 48 страницах.
Особенности диэлектрических характеристик гетерогенных материалов
С точки зрения физики диэлектриков дисперсные системы относятся к гетерогенным материалам. Гетерогенными считаются материалы, в которых состав, структура, свойства или отношения между элементами«структуры не постоянны по объему. Единственный критерий гетерогенности с позиций ди-элькометрии; — изменение макроскопических свойств по сравнению с однородной, изоморфной, гомогенной средой. Поэтому как гетерогенные системы рассматриваются газы, жидкости, твердые материалы, любые их комбинации; а так же системы в переходном состоянии.
Наиболее резко диэлектрические характеристики гетерогенной системы отличаются от свойств однородных материалов при больших концентрациях неоднородностеи. Поэтому в теории гетерогенной поляризации рассматриваются два типа концентрированных систем: слабо концентрированные, или разбавленные, и концентрированные среды [13]. Слабоконцентрированными считаются среды, в которых размеры неоднородностеи - малы по сравнению с расстояниями до ближайших элементов системы. При этом неоднородность окружена матрицей с практически однородными свойствами. Такая матрица может рассматриваться как однородная среда с определенной: эффективной диэлектрической проницаемостью, а диэлектрические свойства материала слабо зависят от концентрации включений.
Сильно концентрированные среды содержат такие включения, которые существенно влияют на свойства всего материала. Чаще всего понятие кон центрированных сред отождествляют с дисперсными системами. По определению [8,13,16-17] дисперсные системы представляют сложную композицию, состоящую из двух подсистем: дисперсионной среды и дисперсной фазы. Электрофизические свойства дисперсных систем определяются всем многообразием свойств фаз, сильно зависят от структуры и процессов, протекающих в системе и подсистемах [4,8,10-11,19-24].
Наиболее резко отличаются статистические и матричные концентрированные системы [8,13]. В статистических дисперсных системах, например, смесях, диэлектрическая проницаемость системы представляют сложную функцию парциальных диэлектрических проницаемостей и объемных концентраций компонентов дисперсионной среды Єї, Vi и дисперсной фазы Є2, V2, инвариантную к замене индексов 8=/( , Є2 VІ V2) =/(е2Єіу2уІ), (1.16) это значит, что фазы статистических систем равноценны. В матричных дисперсных системах, например, аэрозолях, эмульсиях, дисперсионная; среда представляет собой континуум, в который.. внедрены микрокомпоненты дисперсной фазы. При этом дисперсионная среда обволакивает дисперсные частицы, в результате чего в диэлектрических характеристиках системы ее параметры доминируют. Это приводит к неинвариантности свойств системы относительно индексов фаз e=f(z\, e2,.vb.v ф/(е2, єь v2, V/Л (1.17)
Внешнее поле в неоднородных диэлектриках вызывает перемещение свободных электронов и ионов проводящих и полупроводящих включений и оседание зарядов на границах раздела. Появление некомпенсированных зарядов в пограничных слоях инициирует возникновение дипольных моментов включений, что эквивалентно установлению релаксационной поляризации, получившей название структурной, межповерхностной или объемной [4,25]. Структурная поляризация может возникать и в однородных диэлектриках при наличии дефектов структуры, дислокаций и трещин.
Простейшей моделью гетерогенной системы является слоистый диэлектрик, теория которого разработана Вагнером на основе представлений Максвелла [4,8,26-27]. В рамках этой теории получены выражения для со-ставляющих комплексной диэлектрической проницаемости того же вида что и (1.12). Однако смысл величин, входящих в эти уравнения, меняется; Во-первых, комплексная диэлектрическая проницаемость определяется параметрами и концентрациями фаз. Для бинарной (двухфазной) системы s Ж-ч) г2 + s =/- Н П (Ы8) где индексы соответствуют номерам фаз.
Во-вторых, меняется смысл постоянной времени т. В максвелл — вагне-ровском представлении время структурной релаксации т характеризует скорость перераспределения зарядов, свободно перемещающихся внутри частицы до границы раздела фаз, но связанных на макроуровне - не способных преодолеть эту границу. Поскольку размеры дисперсных частиц могут быть распределены в очень широких пределах, спектр времен релаксации в гетерогенных диэлектриках шире, чем в однородных, и простирается от сверхвысоких до инфранизких частот ( рис. 1.1) [25]. Вместе с тем, релаксационные спектры при структурной поляризации более размыты, а корреляция составляющих комплексной диэлектрической проницаемости дополнительно ослаблена.
Бинарная модель системы растворения
Классическая теория массопереноса основывается на анализе статистического распределения заряженных частиц и диполей. Основы этой теории применительно к процессам самоперемешивающихся водных растворов электролитов и трудности теоретического анализа систем гомогенизации рассмотрены в [12, 205]. Поскольку даже в свободной воде на фоне усредненной структуры непрерывно возникают и распадаются молекулярные кластеры в виде полимерных ассоциатов с огромной удельной поверхностью и несимметричным распределением зарядов [69-70], диэлектрические свойства оказываются результатом динамического уравновешивания идущих одновременно процессов структурирования и деструкции [1,202,206-207]. Если дипольный момент молекулярного ассоциата /?, а эффективный дипольный момент поляризованной центральным диполем координационной оболочки pi, ТО статическое распределение диэлектрической проницаемости определятся соотношением где с — молекулярная концентрация диполей, a g — коэффициент межмолекулярной корреляции. В воде g = 2,6 [29]. Внедрение в чистую жидкость раствора электролита сопровождается микроконвекцией с образованием термодинамически нестабильных сгустков раствора повышенной концентрации и деформацией координационных связей с окружающей матрицей.
В момент времени t = 0 перегородка удаляется, и под действием градиента химического потенциала ионы раствора начинают диффундировать в растворитель. В простейшем случае бинарного водного раствора одновалентного электролита с плотностью в зоне контакта числа положительных ионов п+ отрицательных - п_ и плотностями токов ионов /+ и1_, соответственно, уравнения диффузии для ионов по (2.2) можно записать в виде уравнений непрерывности [16-17,202]. Полагая Р/="+ P2=n- vPlul = divl+ , Vp2«2 = div - R учитывая отсутствие внешних источников т.е. VcJ MaJj =0 получаем уравнения непрерывности (2.31) + +divI+=0; + divl_=0, dt т dt
Из-за различий подвижностей U+i U_ и, следовательно, коэффициентов диффузии D+,D_, положительные и отрицательные ионы имеют разные ско 58 рости. Это вызывает относительный сдвиг ионов разных знаков и возникновение электрического поля Е = - gradq, где ф - электрический потенциал. Электрическое поле препятствует относительному смещению ионов, поэтому в конечном итоге токи положительных и отрицательных ионов определяются двумя конкурирующими факторами: градиентом концентрации ионов - grad п и электрическим полем Е. /+ = n+u+q Е - D+qgradп+, I. = n_u_q_E - D_qgrad п_, (2.32) где q — заряд электрона. Коэффициенты диффузии и подвижности связаны соотношениями Эйнштейна „ кТи кТи D+= +-;D= =-, (2.33) q q где к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная, температура, а потенциал. электрического поля ф в соответствии с уравнением Пуассона определяется объемной плотностью зарядов [14]
Нетривиальное решение уравнения существует при п_ * п+ на границе раздела, т.е. при анизотропной структуре раствора. Если, например, при t = 0 в выделенной гипотетической лини тока с координатами х = 0 п_ -п+= Ап0, то вследствие самоорганизации [69,75] этот градиент концентрации во времени снижается Р_ Р+ п_-п+=АП1= ^ (D+e г2 -De г2 ) (2.38) (D+-D_) или Ап0 -%' Цчі-*) Ап1=—-У-е r (ег -т), (2.39) 1 -т где m = D_/D+ Характер переходного процесса иллюстрирует рис. 2.2., рассчитанный по приведенным на рисунке параметрам и соотношениям. Оценка г2 _/? времени восстановления равновесия дает т/ = — «/0 с. В большинстве экспериментов этот переходный процесс не фиксируется. Таким образом, при любых отклонениях концентрации ионов от равно- г2 весной градиент электрического потенциала за время xj =— восстанавливает квазиравновесное состояние, что приводит к макроскопической электронейтральности раствора.
Формирование измерительной информации в диэлькометрических ИИС
Существует четкая связь между энергетикой и соотношениями? случайного и причинного. Поведение элементарных частиц обусловлено квантово - механическими вероятностными законами и: принципом физической неопределенности. На атомном, и тем более, молекулярном уровнях степень организации возрастает, а свободная энергия уменьшается. Молекулярные объединения упорядочены, гомогенны включают огромное количество компонентов со слабым обменом энергией и жесткими прямыми и обратными связями, стабилизирующими систему. Это приводит к подавлению случайных отклонений и повышению детерминированности. Однако на микроуровне вновь возрастает свободная энергия и неопределенность системы возрастает. Появляется!возможность возникновения внутренних флуктуации: дефектов, дислокаций, разрушений координационных связей. При наличии обратных связей флуктуации зачастую приводят к потере устойчивости и росту неопределенности.
Важно учитывать, что энергетическое воздействие в процессе измерения может играть роль спускового механизма, включающего факторы, повышающие неопределенность. Поэтому возможны несколько вариантов энергетических воздействий на контролируемые среды. В линейных системах режим воздействия не нарушает свойств системы, поэтому определяется приборными факторами. В параметрических системах энергия поля меняет состояние системы обратимо, поэтому уровень облучения определяется задачей выхода в требуемое параметрически инвариантное состояние. В нелинейных системах повышение интенсивности зондирующего поля может вызвать необратимую не всегда полезную деформацию объектов контроля, поэтому при проектировании ИИС необходимо учитывать такую возможность.
Что касается влияния внешних воздействий на процесс измерительного преобразования, то этот аспект в литературе освещен гораздо детальнее и принимается во внимание всеми разработчикам ИИС. Тем не менее, при сие 97 темном анализе этого аспекта выявляются некоторые особенности редко учитываемые, но способные при неблагоприятных условиях существенно исказить информационную картину.
Дело в том, что никакая процедура измерительного преобразования не гарантирует достоверности и полноты данных. Это объясняется комплексным воздействием в процессе измерения внешних факторов, приводящим к искажению сигналов сообщения и частичной потере информации. Воздействие внешних факторов принципиально не устранимо, поэтому при системном анализе моделей ИИС выбираются такие математические модели, которые наиболее адекватно отражают неполноту полученных данных. В настоящее время сформировалось два фундаментальных способа представления неполноты данных: теория вероятностей и теория ошибок [255].
Теория вероятностей базируется на оценке соотношения благоприятных и возможных исходов события и представляет вполне разработанную математическую теорию с ясными и общепринятыми аксиомами. Основная гипотеза, обеспечившая широкое применение теории вероятностей в измерительной практике состоит в утверждении того, что пространство испытаний можно поставить во взаимно однозначно соответствие с пространством событий. С каждым событием связывается множество его реализаций (пустое для невозможных) и для любой пары различных событий существует, по крайней мере, одно испытание, в котором одно событие исключает другое. В результате становится возможным такое разбиение достоверного события на элементарные, при котором каждое из элементарных событий соответствует какой-то реализации.
В измерительной практике эта гипотеза не справедлива. Действительно, любое измерение дает результат с интервалом ошибок, т.е. некоторую область значений измеряемой величины. При этом свести измерения к непересекающимся классам реализации невозможно. Мало того, при использовании метода замещения, сравнения с мерой и других измерительных процедур основная задача как раз состоит в поиске пересекающихся реализаций. По 98 этому, если полученная информация точна, но распределена по реализациям, применение вероятностной модели вполне оправдано. Но как только неточность возникает в отдельной реализации, следует использовать модель на основе теории ошибок.
Теория ошибок отражает неточность методов; и средств измерения именно в интервальной форме. Точное значение параметра неизвестно, но зато точно известен интервал, в котором оно находится. В математическом плане определяется образ отображения, аргументами которого выступают подмножества наблюдаемых событий. Недостаток этой модели заключается в ее категоричности. Она не приемлет оттенков, градаций неопределенности, поэтому в системах качественного анализа ее применение проблематично.
С овременные методы математического моделирования стремятся избегать крайностей и ограничений. При их разработке зачастую с помощью, симбиоза разнородных, иногда, казалось бы, несовместимых подходов создаются методы, обладающие широтой и универсальностью оценки. Для анализа неточностей и неопределенностей, связанных с измерительной техникой специально разработана теория возможности [255-256]. Эта теория базируется на теории множеств и новом семействе мер неопределенности, тесно связанном с аппаратом теории ошибок. Эти функции множества полностью отличны от вероятностных мер и в перспективе могут стать "естественным средством для построения баз знаний, хотя и не точных, но согласованных" ].
Тем не менее в.режимах измерений диэлектрических величин при 10 tg 8 10, и диэлектрической спектроскопии в диапазонах 2-3 частотных декад традиционная методология оценки погрешностей вполне применима с необходимой коррекцией, связанной со спецификой объекта контроля. И только при построении активных и широкодиапазонных диэлектрических ИИС приходится использовать новые методы оценки неточности и неопределенности.
Обработка первичных данных на основе электрического и физического моделирования дисперсных систем
Для физического моделирования диэлектрических свойств дисперсных систем наиболее просто и логично применять электрические эквиваленты. При этом можно воспользоваться тремя подходами.
Параметрическое моделирование заключается;в использовании .эквивалентных CG - двухполюсников по рис. 4.1 ,б, и функций преобразования (1.5), (4.1), (4.2). Для отображения;многообразия свойств реальных объектов в этом случае приходится принять, что каждый параметр двухполюсника является сложной функцией свойств среды, а соотношение (1.2) описывает параметрическое задание функции / Г(/со) [2-9; 141]. Такая модель вполне адекватна среде, но зачастую оказывается весьма громоздкой и трудной і для интерпретации.
Второй подход к моделированию также основан на использовании параллельного двухполюсника. Однако каждый механизм релаксации отображается индивидуальным двухполюсником [2-5, 7-11, 25, 141, 250]. Причем такие, системообразующие двухполюсники, в этом; представлении могут быть и последовательными и параллельными [7-8; 141-143, 250]. А для моделирования дисперсионных свойств, приходится использовать цепи второго порядка. Правда, применение компьютерного моделирования значительно облегчило эту работу. Адекватность такого моделирования более сомнительна. Вместе с тем, зачастую, этот подход оказывается вполне плодотворным, поскольку позволяет абстрагироваться от общих свойств и изучать исследуемые процессы и явления на частных моделях, как составных элементах параллельного двухполюсника [6,222,227,279-280]. Так физические модели индифферентной, рис.2.11, и базовой неравновесной; рис.2.13, систем изоморфно можно выразить электрическими моделями, рис.4.13 [1, 229].
На рис. 4.13, а изображена схема замещения; с помощью которой чаще всего моделируются матричные гетерогенные системы. Двухполюсники CTGT и СЖЄЖэквивалентно отображают параметры невзаимодействующих дисперсной и дисперсионной фаз соответственно, a CncGnc—параметры межфазного слоя. Цементная паста является неравновесной системой; протекающие в ней процессы гидратации и фазовые превращения приводят к изменению С и G всех двухполюсников схемы рис. 4.13, а во времени. В неравновесной системе возникает «отклик» релаксационного характера на протекающие в ней процессы.
Таким откликом в гидратационных вяжущих является, например, временная перестройка пограничного слоя под влиянием процессов тепломассо-переноса между поверхностью минеральной компоненты и жидкой фазы, возникновение переходных состояний и неравновесных пленочных гелей (глава 2). Перестройка пограничного слоя отражается на электрических свойствах системы, которые поэтому зависят не только от фазового состава, но и от скорости изменения последнего, т. е. в электрическом эквиваленте складываются из двух частей:С, G = /( Ш и С, G = p( Q,), где /= 1,.2, ,.., но мера фазы, Q— ее количество, Q— скорость изменения Q во времени.
Если процесс адиабатический (0- О),.то C(Q)- 0; G(g)- 0 и электрические параметры соответствуют таковым для стационарной системы. Если процесс неадиабатический, то С, G могут изменяться в широких пределах — это зависит от скорости гетерогенных процессов и физико-химических механизмов «отклика» на них пограничных слоев. В общем случае, схему рис. 4.13, а удобно преобразовать в два последовательных CG-двухполюсника, причем параметры одного из них зависят от фазового состава С = f(Qk,), а другого—от скорости изменения этого состава С пс, Спс = р( Qt)» т- е- оп_ ределяются неадиабатичностью системы, как на рис. 4.13, б. Оценим эти параметры, полагая, что двухполюсник эквивалентно отображает стационарную физическую модель системы, например кварцевую суспензию рис. 2. 1Г, при условии, что ее влажность, размер частиц, а также электрические параметры дисперсной фазы и дисперсионной среды по отдельности равны аналогичным величинам для цементной пасты. В этом случае величины Goe, Сое (рис.4; 13, б) равны наблюдаемым значением емкости и проводимости кварцевой суспензии. По этому методу физического моделирования имеем, например, через 7 мин гидратации пасты из портландцемента 400 Сухолож-ского завода, Ж/Т=0,3: Соб==1,9 пФ. Go6=2,9 мСм.
