3. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

3.1. Состав измерительной системы

Разработанная измерительная система (ИС) (рис. 3.1) состоит из персонального компьютера (ПК), встраиваемой в компьютер измери- тельно-управляющей платы PCI-1202H, измерительного зонда (ИЗ), регулируемого блока питания (БП). Зонд обеспечивает создание теплового воздействия на исследуемое изделие, фиксирование температуры в заданных точках контроля термоэлектрическими преобразователями (ТП). При измерениях ИЗ устанавливают контактной стороной на поверхность исследуемого изделия (рис. 3.1).

Конструкция измерительного зонда приведена на рис. 3.2. Зонд состоит из двух основных узлов: измерительной ячейки 1 и корпуса 2. Измерительная ячейка, в свою очередь, состоит из основания 3, разъема 4, который предназначен для коммутации ИЗ с измерительноуправляющей платой и блоком питания.

С контактной стороны измерительной ячейки на поверхности теплоизолятора 5 размещен нагреватель 8, а также закреплены четыре термоэлектрических преобразователя (типа МКн) 6, 7, 9, 10, сваренные встык. Расстояние от центра нагревателя до термоэлектрических преобразователей 6, 9 и 10 составляет: 1,5; 2 и 3 мм. Нагреватель выполнен из медной полосы шириной 2 мм. На линии нагревателя находится термоэлектрический преобразователь 7. Выводы термоэлектрических преобразователей и нагревателя проходят через специальные отверстия и распаяны на коммутационную плату 11. Пружина 12 обеспечивает одинаковое усилие прижима контактной поверхности зонда к исследуемому изделию.

Сигналы с ТП и БП поступают через мультиплексор (П), усилитель (У), аналого-цифровой преобразователь. Мощность и длительность теплового воздействия встроенного в подложку ИЗ нагревателя (Н) задаются программно через интерфейс (И), контроллер К1, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и БП.

Регулирующий сигнал поступает на вход операционного усилителя (ОУ), включенного по неинвертирующей схеме. Сигнал с выхода ОУ подается на базу силового транзистора. ОУ поддерживает напряжение на выходе БП, равное напряжению регулирующего сигнала.

33

контакта подложки ИЗ и исследуемого тела. Сигналы с ТП и БП поступают через мультиплексор (П), усилитель (У), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), буфер обмена (Б) и интерфейс (И) в ПК. Контроллер К2 обеспечивает необходимый порядок опроса каналов и различные диапазоны измерения на каждом из них. Сбор информации проводится при нагреве исследуемого тела.

ИС реализует алгоритмы управления режимами эксперимента, определения ТФС, контроля температурных характеристик структурных переходов в ПМ.

Для реализации алгоритмов контроля температурных параметров структурных переходов в полимерных материалах был разработан комплекс программ для ПК, составляющих прикладное ПО ИС.

Прикладное программное обеспечение (ППО) для ПК представляется совокупностью следующих программных модулей определенного функционального назначения:

1.Интерфейсная программная часть формирует многоуровневое меню, обеспечивающее удобное и эффективное взаимодействие оператора с ИС, включая выбор различных режимов работы системы, а также управляет другими модулями ППО.

2.Программные модули измерения информации обеспечивают снятие термограмм нагрева, а также фиксирование начального распределения температуры в исследуемом полимерном теле.

3.Модуль проведения калибровки служит для определения постоянных ИС.

4.Модуль расчета текущих значений ТФС и соответствующих значений температуры изделия, параметров модели, а также дисперсий параметров моделей.

5.Модуль выделения рабочих участков термограмм.

6.Модуль контроля за ходом эксперимента обеспечивает возможность отключения нагревателя при достижении во времени нужного участка термограммы.

7.Модули статистической обработки экспериментальных дан-

ных.

8.Модуль оценки скоростей нагрева.

9.Модуль численного моделирования двумерных полей методом конечных элементов.

Вспомогательное ПО (ВПО) состоит из программ тестирования, организации обработки и хранения измерительной информации на ПК.

35

В ходе проектирования ИС (включая разработку ее аппаратных средств, математического, алгоритмического и программного обеспечений) были использованы современные пакеты программ: Microsoft Excel, Microsoft Visual Studio, Matlab, LabVIEW, COMSOL Multiphysics.

Это позволило проводить эффективный и детальный анализ системы на всех этапах ее создания.

3.2. Определение границ рабочего участка термограммы

Для определения границ рабочего участка термограммы использовали: свойства функции (2.16), согласно которым на термограмме в координатах T, z рабочему участку соответствует прямолинейный отрезок; качественную информацию, полученную при анализе выражения, на основе которого было получено расчетное соотношение (2.15), т.е. рабочему участку термограммы будет соответствовать плоская вершина кривой dTd z = f (z).

Считая, что не менее k точек принадлежат рабочему участку термограммы, а всего на термограмме n точек, рассматриваем последовательно отрезки термограмм с номерами точек 1…k; 2…k + 1; …; n – k…n. Обозначаем каждый из отрезков индексом i (i = k…n). Для каждого из этих отрезков построим уравнения линейных зависимостей:

36

где Tj* , z j − значения функции и аргумента, полученные в результате эксперимента в точках с номером j для i-го отрезка, b0i , b1i − оценки

коэффициентов уравнения (3.1).

Находят точку плоской вершины, соответствующую максимальному значению b1i. Таким образом определяют временной отрезок, принадлежащий рабочему участку термограммы. Далее определяют количество точек, лежащих на этом участке. Считаем, что остатки

Ej = Tj* − (b1z1j + b0), вследствие отклонения зависимости Tj* = f (zj) от

линейной, становятся коррелированы с zj, т.е. зависимы от zj. В качестве критерия используется критерий сериальной корреляции Дарби- на–Ватсона, предполагающий вычисление статистики D для серии из k измерений

где Ej − остаток в момент j и (Ej – Ej–1) − правая последовательная разность.

Увеличивая влево и вправо этот участок, на основе выражений (3.1) − (3.5) определяют коэффициенты b1i и b0i и на основе вычисленной по формуле (3.6) статистики D делают вывод о том, существенно ли коррелированы остатки. Как только критерий Дарби- на–Ватсона даст отрицательный результат (остатки имеют корреляцию), заканчивают процедуру увеличения участка. При этом считают, что найдены все точки, принадлежащие рабочему участку термограммы.

37

Предложен критерий, по величине которого можно с достаточной степенью точности определить момент окончания II участка. Данный критерий основан на характере зависимости (2.20), представленной на рис. 3.3 и рис. 3.4. В ходе проведения эксперимента на каждом шаге измерения рассчитывается величина критерия:

где b1max , b1i − соответственно максимальное и текущее значения ко-

эффициентов, определяемых по формулам (3.2) − (3.5). При выполнении условия χi > χ , где χ − наперед заданное значение критерия, про-

исходит отключение нагревателя. При реализации метода значение χ выбиралось из интервала 0,2…0,5.

На графике (рис. 3.3, 3.4) зависимостей b1i от zi наблюдаются плоские вершины, соответствующие рабочим участкам термограмм.

b1,

oC

1,5

1

0,5

0

Рис. 3.3. Зависимость b1i = f (z), построенная по термограмме, зафиксированной на изделии из ПТФЭ, z = ln(τ)

38