Медицинские и биологические измерения
7. Прилуцкий Д. А., Кузнецов А. А., Плеханов А. А., Че-пенко В. В. Накопитель ЭКГ «AnnA Flash 2000» // Методы и средства измерений физических величин. Н. Новгород: НГТУ, 2006. С. 31—37.
8. Medical Computer Systems [Электрон. ресурс] http:// www.mks.ru (дата обращения 17.11.2013 г.)
9. Кузнецов А. А. Энтропия ритма сердца: монография. Владимир: Изд-во ВГУ, 2009.
10. Кузнецов А. А. Измерительные характеристики и свойства информационной энтропии диаграмм ритма сердца // Измерительная техника. 2011. № 7. С. 65—70.
11. Кузнецов А. А. Связь между временными и структурно-топологическими характеристиками диаграмм ритма сердца здоровых людей // Информатика и ее применения. 2010. Т. 4. Вып. 4. С. 39—48.
12. Неймарк Ю. И., Ланда П. С. Стохастические и хаотические колебания. М.: Наука, 1987.
13. Мун Ф. Хаотические колебания / Пер с англ. М.: Мир, 1990.
14. Виноградова Т. С. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы. М.: Медицина, 1986.
15. Кузнецов А. А. Числовой классификатор функционального состояния организма // Измерительная техника. 2013. № 8. С. 58—62.
16. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999.
17. Кузнецов А. А., Пермяков С. А. О естественной нормализации диаграммы ритма сердца // Труды Нижегород. гос. ун-та им. Р. Е. Алексеева. Н.Новгород: Изд-во НГТУ. 2012. № 4 (97). С. 363—368.
18. Крутько В. Н. Подходы к «общей теории здоровья» // Физиология человека. 1994. № 6. С. 34—42.
19. Зильбер А. П. Медицина критических состояний. Кн. 1. Петрозаводск: Изд-во Петрозаводского университета, 1995.
20. Ашофф Ю. Биологические ритмы Т. 1 / Пер. с англ. М.: Мир, 1984.
21. Кузнецов А. А. Структурно-частотный анализ ритмо-грамм больных людей // Измерительная техника. 2014. № 4. С. 46—51.
Дата принятия 21.07.2014 г.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
66.063.2.011
Выбор оптимальных параметров режима измерений коэффициента диффузии растворителей при неразрушающем контроле изделий из капиллярно-пористых материалов
В. П. БЕЛЯЕВ, С. В. МИЩЕНКО, П. С. БЕЛЯЕВ
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия, e-mail: bps@asp.tstu.ru
Рассмотрены вопросы повышения точности метода неразрушающего контроля коэффициента диффузии растворителей в тонких изделиях из капиллярно-пористых материалов путем оптимизации вводимых доз растворителя при организации активной части эксперимента.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, капиллярно-пористый материал, коэффициент диффузии.
The problems of accuracy improvement for the non-destructive method of the solvents diffusion coefficient control in thin products made from capillary-porous materials by optimizing the introducing doses of the solvent during the experiment active part have been considered.
Key words: non-destructive testing, capillary-porous material, diffusion coefficient.
Выбор оптимальных параметров режима теплофизичес-кого эксперимента дает возможность существенно повысить точность определения характеристик исследуемых материалов и изделий [1, 2]. В [3] рассмотрен метод неразрушаю-
щего контроля коэффициента диффузии растворителей в тонких изделиях из капиллярно-пористых материалов (КПМ) и устройство для его реализации, позволяющие увеличить производительность исследований путем исключения инди-
видуальной градуировки измерительных преобразователей локальной концентрации и диффузанта по каждой системе КПМ — растворитель. При реализации данного метода дозу Q растворителя импульсно вводят в центр плоского участка изделия и измеряют изменение электродвижущей силы (ЭДС) гальванического преобразователя (ГП) Е(г0, т) на заданном расстоянии г0 от источника растворителя. При этом плоская поверхность измерительного зонда, прижимаемая к исследуемому образцу, на которую выведены электроды ГП, выполнена из несмачиваемого материала — фторопласта. Коэффициент диффузии D растворителя можно определить по формуле
° = Г о/ (4ттех ), (1)
где ттах — время, соответствующее максимуму на кривой Е(г0, т) изменения ЭДС ГП на расстоянии г0. При этом учитывают, что в силу монотонности статической характеристики ГП кривые и(г0, т), Е(г0, т) достигают максимума в один и тот же момент времени ттах [3].
Коэффициент диффузии очень чувствителен к изменениям пористой структуры, вызванным различными причинами, в том числе характером структурных, фазовых, химических и других превращений, происходящих в материале в ходе технологических процессов производства КПМ и изделий из них. Следовательно, коэффициент D растворителей в КПМ может изменяться в существенно больших пределах, чем, например, его аналог в процессах теплопереноса — температуропроводность. Вследствие этого возможны ситуации, когда при неразрушающем контроле даже одной группы КПМ из-за широкого диапазона изменения свойств могут возникать сложности в достижении приемлемой чувствительности метода и точности определения коэффициента D. Это связано с особенностями использования ГП в качестве датчиков локальных концентраций, распределенных в твердой фазе растворителей [4]. Например, достигаемый при реализации метода максимум концентрации итах в точке расположения электродов может оказаться на начальном участке статической характеристики ГП [4], где значения ЭДС низкие, а чувствительность ГП к изменению концентрации невелика. В результате наблюдается завышенная относительная погрешность 8Е определения ЭДС при заданной абсолютной погрешности АЕ измерительной аппаратуры и, как следствие, высокая погрешность определения ттах. Возможна и другая ситуация: итах попадает на конечный участок статической характеристики, где чувствительность ГП низкая или отсутствует (переход растворителя в область свободного состояния, не связанного с твердой фазой КПМ) [3, 4]. В этом случае также существенно возрастает ттах.
Цель настоящих исследований — оптимизация режимных параметров точечного источника, обеспечивающих удовлетворительную чувствительность метода и точность определения коэффициента D. Эта цель может быть достигнута согласованием значений координаты г0 расположения ГП в измерительном устройстве и дозы растворителя Q, подаваемой в начале активной части эксперимента так, чтобы максимум на кривой изменения ЭДС, соответствующий итах, находился в диапазоне максимальной чувствительности статической характеристики ГП по отношению к изменению концентрации растворителя.
Исследования [4, 5] показывают, что наибольшая чувствительность статической характеристики ГП для рассматриваемого класса материалов наблюдается вблизи значения 0,5ир, где ир — равновесная концентрация диффузанта в исследуемом КПМ в контакте с насыщенными парами растворителя в газовой фазе при заданной температуре. При этом значения ЭДС находятся в пределах [3, 4]:
Е « (0,8 ... 0,9) Ер, (2)
где Ер — ЭДС ГП, соответствующая ир, т. е. переходу растворителя в область свободного, не связанного с твердой фазой КПМ состояния.
Следовательно, достигаемое в эксперименте рациональное значение ит ах желательно получить на заданном участке статической характеристики ГП:
итах « 0,5ир. (3)
Определим оптимальную дозу Q растворителя, вводимую в точку на плоском участке контролируемого изделия при организации активной части эксперимента. Изменение концентрации растворителя в КПМ в зоне действия источника после воздействия импульса при и0 = 0, где и0 — начальная концентрация растворителя в исследуемом материале в момент времени т = 0, описывается функцией [3]:
и(г, т) = Q/[4пDp0т ехр (г^От))], (4)
где и(г, т) — концентрация растворителя в КПМ на окружности радиусом г относительно точки импульсного ввода дозы в образец в момент времени т; р0 — плотность абсолютно сухого исследуемого материала.
Уравнение (4) для заданной точки контроля ЭДС ГП г = г0 с учетом (1) приведем к виду
и(Г0, т) = Q/(4пDpoT ехр [ттах /т]), (5)
1,00,80,60,40,2-
г0, мм
Рис. 1. Зависимость максимумов концентрации в фильтровальной бумаге от расстояния до источника при различных значениях дозы растворителя Q: 1, 2, 3 — Q = 0,610-3; 2,410-3; 5,410-3 кг/м, соответственно
6
г0, мм
Рис. 2. Относительная погрешность определения максимумов концентрации в фильтровальной бумаге при тех же значениях дозы растворителя Q, что и на рис. 1
Из (5) определим Umax при т = Tmax:
Umax(r0- Tmax) = Q/(4neDPcTmax)- (6)
Из (6) с учетом (1) получим
Q = перо Umax rо ■ (7)
Отсюда следует, что доза Q, необходимая для достижения определенных значений Umax, очень чувствительна к
изменению r0, так как пропорциональна квадрату расстояния от датчика концентрации до импульсного источника растворителя. Для достижения Um ax при увеличении r0, на-
Рис. 3. Относительные погрешности 5г0 (1) и 5ттах (2—4) определения коэффициента диффузии этанола в фильтровальной бумаге при диаметре электродов ГП 0,05 мм и тех же значениях дозы растворителя Q, что и на рис. 1
пример в 2 раза, дозу Q нужно увеличить в 4 раза. Поэтому важное значение при реализации метода имеет выбор г0, а погрешность определения 5г0 с учетом [3] является одной из доминант суммарной погрешности измерения коэффициента D.
На рис. 1 представлены зависимости итах /Ц> от г0, полученные при исследовании коэффициента D этанола в фильтровальной бумаге типа ФБ-11 [6] плотностью в сухом состоянии 400 кг/м3 для различных значений Q: 0,610-3; 2,410-3; 5,410-3 кг/м. Исследования показали, что для данного материала, например при Q = 0,610-3 кг/м, измерительное устройство должно быть укомплектовано датчиком, расположенным на расстоянии г0 = 1,5 мм, обеспечивая выполнение соотношения (3), что связано с погрешностью 5г0 согласно [3]1 порядка 6 % (см. рис. 3). При г0 > 2 мм и данном значении Q уровень максимумов на кривых и(г0, т), Е(г0, т) будет недостаточным для выполнения (3), что приведет к значительному возрастанию погрешностей 5итах, 5Етах, 5ттах. При Q=5,4■10-3 кг/м информация от датчиков с г0 < 2,8 мм не позволяет рассчитать D, так как значение итах >ир (см. рис. 1) и статическая характеристика ГП находится на плато насыщения [4, 5].
Из (7) с учетом (3) после вычисления констант получим выражение для расч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.