Принципы построения систем комплексного анализа

ПРИБОРЫ

И СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ

УДК 543.423:389.6

Д. С. ШИШКИН А. И. ОДИНЕЦ

ОАО «АК Омскагрегат»

Омский государственный технический университет

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА

Рассматривается метод повышения эффективности количественного спектрального анализа. При этом обеспечиваются одновременно контроль химического состава элементов и физико-механическое состояние материалов непосредственно в процессе производства продукции.

Современные тенденции развития производства заключаются в постоянном стремлении повышения качества выпускаемой продукции. Одним из направлений в обеспечении заданного качества, следствием которого является снижение затрат на производство, является развитие функций систем автоматизированного контроля. В этом смысле совершенствование методов диагностики химического состава материалов является одним из важнейших направлений развития современных технологий.

Стремление к дальнейшему повышению качества выпускаемой продукции, создание новых материалов с использованием современных технологий, приводит к необходимости постоянного совершенствования методов диагностики материалов и готовых изделий как за счет расширения существующих границ практического применения методов количественного анализа, так и внедрения автоматизированных устройств промышленного контроля.

В данной работе решаются перечисленные задачи повышения эффективности количественного спектрального анализа путем разработки новых методов, обеспечивающих одновременный комплексный контроль химического состава элементов и физико-механического состояния материалов непосредственно в процессе производства продукции. Актуальность этих вопросов очевидна, так как используемые спектральные методы обеспечивают только приближенную оценку результатов анализа химического состава отдельных компонентов на основе прямых измерений по гра-дуировочным графикам.

Принципы построения систем комплексного спектрального анализа основываются на моделировании процессов анализа [1] с последующим созданием методик преобразования измеренных импульсов напряжения с выхода используемых входных преобразователей в контролируемые параметры.

фн|<Ы Г7Л ps,Pibl

Блок управления

п вэ

П Р Р

И HD

Л

til

Блок инвертировании

J_L

Блок построение НИС при Pcp=consi

а

I

Блок обратного инвертирования

Химический состав

P'ie

P"iecp

j__а

Блок

РИС

Блок

НИС

P"ie

P"iecp

Фитко-мелпническне св-ва

Рис. 1

НИС - неравновесные изолированные системы обработки данных; РИС- равновесные изолированные системы; ПВЭ -блок выделения контролируемых элементов; Г1РР - блок переключения режимов работы

В рассматриваемых автоматизированных устройствах алгоритм преобразования параметров предусматривает два этапа. На первом этапе происходит поэлементное выделение структурных составляющих с последующим переходом к значениям контролируемых механических свойств. При этом структурные особенности и отдельные механические параметры материала вычисляются по суммарным значениям соответствующих компонентов, определяемым по определенным длинам волн.

Одновременно с этим на другом этапе производится формирование равновесных изолированных систем с последующим выделением количественных составляющих в зависимости от используемых длин нолн. По полученным данным находятся процентные содержания элементов.

Изложенный принцип построения схем преобразования параметров может быть представлен в виде схемы, представленной на рис. 1.

Падающий на вход преобразователя световой поток Ф, представленный матрицей Ф в виде совокупности элементов поля светового потока ф|к различной интенсивности излучения 1к и длиной волны X, преобразуется в твердотельных приборах зарядовой связью (ПЗС) в прямоугольную матрицу импульсов напряжения Р.

По аналогии с матрицей Ф, на выходе преобразователя ПЗС прямоугольная матрица импульсов напряжения представляется конечной совокупностью составляющих импульсов напряжений Р|к элемента I длиной волн излучения к=Х.

Р,, Р,, Р,:« - Р./ Р<1 Р-И Ри Ра, Р., Р,. Рп - Р..,

р=

Р,„У Рт:1 • • Ртм

= IP,J.

поля предусматривает необходимость замкнутых систем в виде1 равновесных илч неравновесных изолированных систем преобразована: гара,метров элемента В противном случае, необратимость процессов преобразования импульсов и процентное содержание элемет:).; п;>!{зодит к пояьлению не учитываемых погрешностей результатов вычислений.

Вычисление . 'Г'ултурных особенностей матера чла (определяемых, нагр мор, средним размером зерен к расстоянием меж\у осями дендритов), его механических характеристик (например, твердости, пределом прочности, пределом упругости и т.д.) и процентного содержания элементов производится ь блоке II Расчет процентного содержания элементов  к блоке I. В л их же блоках осуществляется расчет относительных погрешностей.

Рассматриваемый способ основан на моделировании процессов спектрального излучения для изолированных систем обработки исходных данных при условии энергетического соответствия количественного состава исследуемой пробы и стандартного образца[1].

Для решения задач комплексного анализа элемент в пробе и эталоне представляется в виде некоторой энергетической системы [2]. При этом каждый энергетический уровень описывается определенной системой уравнений. Переход из одного состояния в другое происходит в соо тветствии с алгоритмом.

Предложены способы перехода открытых (исходных) энергетических систем в закрытые, а затем в равновесные и далее неравновесные изолированные состояния. Использование критериев существования данных энергетических систем, и совокупности с физической моделью анализа, впервые позволило разделит!, структурные и количественные составляющие входного сигнала и создать самостоятельные методики контроля.

В соответствии с этими методиками анализ процентного содержания элементов производится в равновесных изолированных системах обработки результатов измерений путем расчетов скорректированных значений интенсивности (АР, = Рх - Рх,.р и 1РХ = Р„ + Р ,) спектральной линии элемента (Рк) относительно линии сравнения (РМ |,). При этом [2],

где

*LL = Lxe + Lex = 1 .

Uex = — , Uxe

IPx = LPe = const I

2 Px

Lxe = — • arc l к------

л Pxcp(ZPx + APe) 1

2 Pe

Lex = — • areig----

7i PecpilPe + APx)

где [р1к] - элемент коммутативного (обратимого) поля, р1н... ртм - набор примесных элементов контролируемого материала,

РтI... ртп - набор длин волн излучения элемента поля.

Для каждого элемента поля рт обработка информации производится по полученным данным для элемента материала р|п и линии сравнения ркт.

Как следует из основополагающего принципа построения схем автоматизированного анализа, обязательный критерий коммутативности элементов

ig

Uxe =

л Рх 2 Ро

ig

л 1Рх-АРе Ро

л Рхср Л ЪРх + ДРе *2 Ро 'V Л,

Uex =

л Ре

л ЪРе-АРх Ро

л Реср л 1Ре + ДРх

'?2 Ро 'V Л,

Вычисляемое по базовому уравнению модели [ 1 ] в блоке «химический состав» содержание элементов

О 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 -Y

Рис. 2.

D

0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Z

Рис.3

Cx = Qe Uxe  exp[

в совокупности с (2) - (4) фиксируется в блоке «С ».

Вычисления физико-механических параметров производится в блоке «физико-механические свойства» в неравновесных изолированных системах обработки данных при следующих условиях:

IL = Lxe + Lex ± AL ,

2в = £z„ = -

P. = P.. = roilsl

Дц. = const

где Y() отображает какой-либо механический параметр, a Zo — структурный параметр в виде фазового смещения V п в виде уравнения

У, = 90"'ДЦ

Вследствие нелинейности процессов структурного анализа, используется линеаризация функциональных зависимостей путем их логарифмирования:

Y = ±lg(l + |YJ), Z = ±1д(1 + |Z,J). Для развязки цепи преобразователя и блока математической обработки формируются новые исходные данные таким образом, чтобы в последующем относительно выбранного эталона линия сравнения выполняла функции основного элемента и наоборот. Чтобы при этом внутренняя энергия и переносимая масса не изменялись, каждая из форми-

руемых пар элементов в виде данных излучения основной линии и линии сравнения образовывали изолированные системы, а общее количества вещества оставалось неизменным. Такая система параметров является инвертированной относительно данных измерений.

Создание инвертированной системы данных позволяет на следующем этапе преобразований в блоке построения НИС сформировать изолированную систему данных при неизменном количественном содержании элементов относительно исходной системы измеренных данных. Это позволяет практически исключить влияние «третьих элементов» в виде окисных пленок на поверхностном слое контролируемых материалов. На следующем этапе производится обратное инвертирование и разделение контроля на количественную и структурную составляющие (см. рис. 1).

Экспериментальная проверка полученных результатов проведена на опытных образцах сплавов на основе алюминия, меди, титана и железа в промышленных лабораториях спектрального анализа предприятий г. Омска. На рис.2 и 3 в качестве примера приведены данные испытаний по градуировочным графикам механического параметра (твердости Тп)) бронзы ОСН 10-2-3 и структурного параметра (среднего диаметра микрозерен Э) сплава Ак5М.

В табл. 1 приведены данные испытаний процентных содержаний элементов комплекта № 95 государственных стандартных образцов оловянной бронзы ОСН 10-2-3. Здесь же указаны полученные абсолютные погрешности результатов, В качестве контрольного эталона использовался образец 952 комплекта.

со

952э

953

954

955

Fe

Р. - Р..

22,8-44,8

30,5-41,3

46,5-41,5

73,3-39,8

С±ДС

0,12

0,27±0.009

0,33±0.012

0,71 ±0.015

РЬ

Р. - Р..

25,0-56,3

36,0-52,5

36,0-50,3

35,5-44,3

С+ДС

2,13

2,80 ±0.015

2.86 ±0.01 7

3,11 ±0.016

Ni

Р. - Р..

74,0-56,3

8П,5-52,5

00 5-50,3

С±ДС

9,1

Р.-Р..,

j.),1-73,8

Я-РО  | 65,8-7j,3

'l.VOiü . о

91.5-44,3 I 10,1 ±().3'J

71,0-П,О

' /,8-6.. 3

Таблица I

С+ДС

2,90

3,15±0.0В4

3.34 ±0.088

4,7П±0.113

Из анализа полученных экспериментальных данных следует, что для всех типов материалов методические погрешности не превысили 4% при средней инструментальной погрешности, не превышающей 6%.

Библиографический список

1. Никитенко Б.Ф., Казаков Н.С. Информационнс-:1эме-рительные системы в атомио-эмиссионном спектрлльном анализе, ч.2 (Автоматизированный метод контрольного эталона для всего диапазона анализа|//Дефектоскопия, №11, 1998.-С. 58-78.

2. ¡¡нкитенко Ь.Ф., л,паков Н.с. Информационно-измерительные системы в атомно-эмиссиопном спектральном анализе, ч.1, //Дефектоскопии. №10, 1998,- С. 64-88.

ШИШКИН Дмитрий Сергеевич, технический директор ОАО «АК Омскагрегат».

ОДИНЕЦ Александр Ильич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Дата поступления статьи в редакцию: 26.06.06 г. © Шишкин Д.С., Одинец А.И.

УДК 681.2:531.717.15

Е. В. НИКОЛАЕВА

Омский государственный технический университет

ПРИБОР ДЛЯ ПОСЛЕОПЕРАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА НАРУЖНОЙ РЕЗЬБЫ

Разработан новый прибор для послеоперационного измерения среднего диаметра на ружной резьбы, построенный на базе малого инструментального микроскопа (ММИ-2] Прибор позволяет повысить точность до 1-2 мкм и производительность в 1,5-2 раза Предложена новая форма измерительного наконечника позволяющая контролиро вать любой профиль и шаг измеряемой резьбы. Предложена новая методика настрой ки на заданный размер.

Используемые методы и средства измерения среднего диаметра резьб в практике машиностроения и инструментального производства имеют недостаточную точность и значительную трудоемкость [1-4].

В Омском государственном техническом университете на кафедре «Метрология и приборостроение» разработан прибор, на базе малого инструментального микроскопа (ММИ-2), позволяющий повысить точность и производительность измерения среднего диаметра резьбообразующего и контрольного инструмента(рис. 1).

В микроскопе ММИ-2 произведены следующие изменения:

— убрана пружина продольного перемещения каретки для обеспечения ее свободного хода при измерении продольной формы резьбового инструмента;

— улучшена конструкция крепления подвижных центров;

— на место оптическои головки микроскопа установлено устройство с микрокатором (1 - ИГП) для измерения среднего радиуса резьбы.

В качестве измерительного наконечника используется плоскопараллельная концевая мера длины с толщиной равной половине шага резьбы с допуском ± 0,1 мкм (рис.2). Рабочая чаегь меры прошлифована перпендикулярна ее четырем поверхностям с радиусом кромок Б = 0,005...0,008 мм. Наконечник 1 может быть изготовлен и твердосплавным. После износа рабочей части меры она восстанавливается многократно повторным шлифованием горца. Наконечник устанавливается на угол подъема винтовой линии попоротом корпуса микрокато-ра 2. Микрокатор установлен на каретку 3, перемещающуюся на упругой направляющей 4. На каретку также закреплен арретир 5, обеспечивающий отвод микрокатора и наконечника от резьбового инструмента для измерения радиуса резьбы в другом его сечении. Винт б предназначен