Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс в различных отраслях промышленности (химической, нефтеперерабатывающей, лакокрасочной и т.д.) определяется совершенствованием известных и созданием новых технологий. Особое внимание уделяется исследованиям и разработкам методов и средств получения информации о параметрах технологических процессов и показателях качества материалов и изделий. Для повышения эффективности производства и качества выпускаемой продукции требуется получение значительного количества измерительной информации, а к средствам контроля предъявляются все более высокие требования по быстродействию и по точности.
Технология производства радиопоглощающих материалов и покрытий требует неразрушаюшего контроля магнитодиэлектрических (электрофизических) параметров дисперсных жидких и твердых материалов в течении всего цикла их синтеза, важнейшими из которых являются относительные диэлектрическая є и магнитная р проницаемости. Эти параметры связаны с другими физико-химическими и механическими характеристиками, определяющими состав и свойства жидких и твердых материалов.
В качестве примера можно привести гетерогенные дисперсные жидкие смеси с ферромагнитными (магнитодиэлектрическими) частицами (ФМЧ) -ферромагнитные жидкости (ФМЖ). Важнейшим параметром ФМЖ является концентрация частиц твердой фазы, от которой зависит не только согласование со свободным пространством по волновому сопротивлению ZB и степень поглощения электромагнитной волны поглощающими материалами, но и качество некоторых красителей, зажигательных смесей, горючих и смазочных материалов, являющихся потенциально опасными, что требует полную бесконтактность проводимых измерений.
Необходимость развития теоретических и практических вопросов разработки автоматизированных комплексов микроволновых неразрушающих волноводно-антенных методов определения магнитодиэлектрических свойств материалов и изделий в процессе их производства и эксплуатации обусловлена:
а) отсутствием высокоточных быстродействующих методов контроля
параметров жидких гиромагнитных материалов в процессе их производства;
б) созданием устройств оперативного контроля электрофизических па
раметров различного рода покрытий, в том числе неотражающих и погло
щающих, в процессе их нанесения и финишного контроля;
в) отсутствием теоретических основ проектирования микроволновых
волноводно-антенных устройств контроля заданного состава и свойств ди
электрических и магнитодиэлектрических материалов и изделий;
г) отсутствием решения задачи адаптивного согласования микроволно
вых волноводно-антенных первичных измерительных преобразователей
(ПИП) магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов и по
крытий с нагрузкой;
д) тем, что все известные микроволновые методы определения магни-тодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов лабораторные, не автоматизированные и направлены на решение задач измерения параметров лишь специально подготовленных образцов твердых материалов.
Анализ известных волноводно-антенных методов контроля материалов и изделий показал, что все они имеют следующие недостатки:
отсутствует обшая методика расчета информативных параметров микроволновых ПИП с учетом деформации структуры одномодового поля по зоне взаимодействия и методические основы их проектирования;
отсутствует методика выбора спектра рабочих мод и алгоритмическое обеспечение их реализации и смены;
материалы принято считать средами с малыми потерями, в действительности такие допущения приводят к большим погрешностям измерений комплекса характеристик реальных материалов;
антенная система считается источником плоской волны в дальней зоне (ДЗ) и не учитывается, что реальная антенна обладает ДН конечной ширины, а также не учитывается распределение мощности на поверхности контролируемого материала;
- во всех известных микроволновых методах сканирования поверхно
сти материала применяются апертурные излучатели с механическим качанием
луча и две разнесенные приемно-передающие антенны, требующие синхрон
ной настройки по углу падения, нет одностороннего доступа к контролируе
мому материалу;
не учитываются конечные размеры антенной системы;
не учитывается топология неоднородности реальной поверхности, обусловленная конечными величинами стохастической шероховатости и искусственных поверхностных неоднородностей, а также переменный радиус кривизны поверхности;
отсутствуют методы и устройства измерения магнитной проницаемости fi жидких сред и твердых материалов конечной толщины (кроме не локальных индуктивных датчиков «полубесконечных» материалов), а также волнового сопротивления ZB.
Все перечисленное выше ставит необходимость решения задачи разработки волноводно-антенных неразрушающих методов определения параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов актуальной.
Цель работы: теоретическое и практическое решение проблемы создания комплекса микроволновых волноводно-антенных неразрушающих методов определения магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов в процессе их производства и эксплуатации.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:
- анализ современного состояния измерений электрофизических, кон
центрационных и геометрических параметров жидких и твердых материалов;
теоретическое и экспериментальное исследование эффектов взаимодействия электромагнитного поля микроволновых излучений с жидкими и твердыми материалами и разработка на их основе единого теоретического подхода к созданию новых микроволновых методов неразрушающего контроля магнитодиэлектрических параметров контролируемых материалов;
разработка микроволновых волноводно-антенных методов неразрушающего контроля магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов.
Диссертационная работа посвящена решению указанных задач и выполнена в рамках научно-технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на 2003-2004 г.г.. и на основании «Основных направлений развития вооружения и военной техники ВВС на период до 2010 года» и Планов НИОКР ВВС на периоды до 2000 и 2005 г.г.
Методы исследований базируются на применении теории макроскопической электродинамики, математического и машинного моделирования, теории антенно-фидерных устройств, измерений и метрологии.
Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных исследований эффектов взаимодействия электромагнитного поля микроволновых излучений с жидкими и твердыми материалами (магнитодиэлектрики с потерями) получены следующие научные результаты:
предложен единый теоретический подход к созданию быстродействующих волноводно-антенных методов неразрушающего контроля состава и свойств магнитодиэлектрических материалов, базирующийся на единой методике расчета информативных параметров микроволновых ПИП (метод эквивалентных реактивных параметров - МЭП), учитывающей деформацию од-номодовой структуры поля по зоне взаимодействия, перераспределение поверхностных токов и зарядов; на основе МЭП разработаны адекватные модели комплекса методов и устройств измерения параметров жидких сред.
теоретически и экспериментально обоснован и разработан метод микроволнового неразрушающего контроля магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов, в том числе фрактальных, через параметры поверхностной медленной волны, обеспечивающий высокую точность и локальность измерений - микроволновая интроскопия поверхностной медленной волной;
- разработан бесконтактный микроволновой термовлагометрический
метод, базирующийся на электрофизическом взаимодействии управляемого
по частоте и направлению электромагнитного поля с влажным материалом,
при одностороннем доступе - микроволновая термовлагометрия;
- разработаны методы измерения магнитодиэлектрических свойств жид
ких ферромагнетиков, в основу которых положены эффекты распространения
бегущих электромагнитных волн в жидких намагниченных средах и взаимо
действия ферромагнитных дисперсных жидких сред с суперпозицией бегуще
го микроволнового электромагнитного поля и внешнего квазипостоянного
магнитного поля (подмагничивания) - компенсационные методы измерений: стабилизация измеряемого параметра компенсацией изменения информативных параметров ферромагнитных жидкостей величиной и направлением вектора Н квазипостоянного магнитного поля, что позволяет определять их дисперсно-доменный состав.
Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что:
разработан комплекс устройств, реализующих неразрушагощие волно-водно-антенные методы определения магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов в процессе их производства и эксплуатации, позволяющих повысить точность и оперативность контроля;
на основе теоретических результатов разработаны устройства микроволновой термовлагометрии радиопрозрачных материалов и поглощающих покрытий;
разработан комплекс устройств, алгоритмическое и метрологическое обеспечение микроволнового неразрушающего контроля магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов и Интроскопии неоднородно-стей фрактальных поверхностей по пространственной картине распределения дисперсии отклонения коэффициента ослабления поля поверхностной волны от его математического ожидания.
Реализация результатов. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в в/ч №44386 (Военно-научный комитет ВВС МО РФ) в комплексе НИР: №29617 "Резонатор-95", №29750 "Резонатор-97", №20038 "Замедление-99", №20314 "Поверхность", №20313 "Стержень", выполненных на основании «Основных направлений развития вооружения и военной техники ВВС на период до 2010 года» и «Планов НИ-ОКР ВВС» на периоды до 2000 и 2005 г.г. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные и полевые испытания и внедрены в в/ч №15401 (г. Смоленск, 2006), в ОАО "Завод подшипников скольжения" (г. Тамбов, 2006), ОАО «Тамбовполимермаш» (г. Тамбов, 2006), ООО «Тамбовэнергонефть» (г. Тамбов, 2005),000 «Тамбовалюминийком-плект» (г. Тамбов, 2006), ТЦ «Хамелеон» (г. Тамбов, 2006).
Материалы диссертационной работы используются в учебных курсах и научно-исследовательской практике Тамбовского высшего военного авиационного инженерного училища радиоэлектроники (военный институт) и ВВИА им. проф Н.Жуковского (г. Москва).
Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались на: I, V, VI, VII, VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Состояние и проблемы измерений» МГТУ им. Баумана (Москва,1994, 1998, 1999, 2000, 2002, 2004 г.г.); III Международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (Тамбов, 1998 г.); Российской электрохимической школе «Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа» (Тамбов, 1995 г.); 4, 5, 6, 7, 8 Всероссийских научно-технических конференциях «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования»
(Тамбов, 1995, 1997, 2000, 2004, 2006); V Научной конференции (Тамбов. 2000 г.); IV Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001); II, IV, Международной научной конференции «Измерения, контроль, информатизация» Алтайский ТТУ (Барнаул, 2001, 2003); 14, 15, 16, 18 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Смоленск, 2001 г.; Тамбов, 2002 г.; С.Петербург, 2003 г.; Казань, 2005 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии - ИСТ-2002» (Н.Новгород, 2002 г.); XIII, XIV Всероссийская научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и безопасности полетов и ЛА с учетом климатографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (Иркутск, 2003, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 2003 г.); Международной научной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2004 г.); V Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (Тамбов, 2004 г.); Второй Международной заочной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития» (Тамбов, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Качество науки - качество жизни» (Тамбов, 2006 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 132 работы, в том числе 3 научных монофафии, 16 патентов РФ и 2 положительных решения на выдачу патента РФ на изобретения, 41 работа опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 5 глав и заключение. Изложена на 316 страницах машинописного текста. Включает 98 рисунков, 13 таблиц, 217 наименований литературы, приложения (акты внедрения и промышленных испытаний, таблицы, схемы и другие материалы на 187 страницах).
