СПОСОБ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА ИЛИ ПРОДУКТА Российский патент 1996 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к области контроля и испытания материала и продуктов. Известный способ ускоренных испытаний материала и изделий, основанный на интенсификации их свойств за счет нагружения внешними воздействиями (в том числе температурой, давлением, электрическим полем) с последующим установлением закона поведения того или иного свойства во времени и осуществлением экстраполяции установленной закономерности к нормальным условиям. При этом применяются различные физические методы, основанные на связи эксплуатационных характеристик с физическими свойствами вещества или материала (например, Ермолов И.Н. Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качеств. М. Высшая школа, 1988) [1]
Наиболее близким аналогом к изобретению является способ ускоренного определения качества материала или продукта, включающий измерение параметра, связанного с диэлектрической восприимчивостью материала или продукта [2]
Основным недостатком этого способа является большая затрата времени на анализ.

Для устранения данного недостатка предлагается способ ускоренных испытаний качества материала или продукта, основанный на регистрации изменений свойства за относительно малый временной интервал в естественных условиях, условиях хранения или при заданных условиях эксплуатации. Данный способ основан на связи между компонентным составом и молекулярной структурой материала или продукта с соответствующим свойством. Наиболее предпочтительным является свойство, получаемое в результате нерезонансного взаимодействия вещества с электромагнитным полем, мерой которого выступает диэлектрическая восприимчивость (χ) или связанная с ней диэлектрическая проницаемость.

Предлагаемый способ основан на измерении производной диэлектрической восприимчивости χ по времени с последующим расчетом времени t_n сохранения материала или продукта в пределах заданных характеристик от момента измерения, так что

где τ время, в течение которого продукт становится непригодным для употребления, или время, в течение которого эксплуатационные свойства материала (или изделия) не выходят за пределы установленных; его определяют экспериментально при t<τ или рассчитывают по формуле , где c_д- предельно допустимое изменение диэлектрической восприимчивости, соответствующее времени τ..

Предлагаемый способ испытаний качества материалов или продукта основан на предположении о том, что при заданных условиях хранения продуктов или материалов происходящие физико-химические процессы перехода к новому состоянию, в котором они не удовлетворяют потребительским и эксплуатационным свойствам, протекают по экспоненциальному закону. Большинство процессов в природе подчиняется именно экспоненциальному закону, в том числе к ним относятся и процессы превращения вещества и химические реакции. Описание этих процессов подчиняется универсальному соотношению Аррениуса

где k константа скорости соответствующего процесса, k_o - предэкспоненциальный множитель, U_a энергия активации данного процесса, kT тепловая энергия.

Из этого уравнения следует, что критерием экспоненциального характера того или иного процесса может служить наличие в системе активационного барьера. У веществ и материалов именно активационный барьер, образуемый силами межмолеулярного взаимодействия, предопределяет экспоненциальный характер поведения у вязкости, самодиффузии микрочастиц и аналогичным им кинетическим процессам, в том числе и у процессов старения и деградации. В этой связи естественные процессы при нормальных условиях имеют в большинстве случаев экспоненциальный характер поведения физико-химических свойств веществ во времени. К такого рода процессам и явлениям может быть применен предлагаемый способ ускоренных испытаний. Метод также приемлем для применения к временным процессам в условиях постоянного или регулярного внешнего воздействия (теплового, радиационного, механического и т.п.). В этом случае в показателе экспоненты наряду с величиной U_a следует учесть энергию внешнего воздействия на молекулярную структуру материала или продукта. Однако при регулярном характере внешних воздействий их действие усредняется, а наблюдаемые временные процессы ведут себя как однорелаксационные. Обычно условия эксплуатации или хранения испытуемого объекта известны и они позволяют предварительно оценить ожидаемое поведение во времени на соответствие его экспоненциальному закону. К тому же, если об используемом объекте ничего не известно, то можно провести специальные испытания для установления его поведения в условиях, приближающихся к действительным. А затем может быть реализовано основное достоинство предлагаемого способа, заключающееся в сокращении времени испытания.

В силу однозначности связи свойств с молекулярной структурой и компонентным составом вещества можно представить поведение χ в виде
(1)
где χ_н начальное значение диэлектрической восприимчивости исследуемого продукта или материала, соответствующее свежеприготовленному продукту (или материалу); Δχ_д приращение диэлектрической восприимчивости, соответствующее предельно допустимым изменениям качества (технических характеристик) данного материала или продукта, τ время, характеризующее время деградации (или время потери качества) продукта (материала), и соответствует времени достижения величины 0,63 Dc_д,, t время, отсчитываемое от момента изготовления образца.

При больших временах t, сравнимых с τ, изменения χ(t)-χ_н соизмеримы с величиной Δχ_д и могут быть определены с помощью известных методов и средств измерения χ. Но в таком случае в значительной степени теряется смысл таких испытаний. Для правильного выбора условий хранения материала или продукта, а также выбора оптимальных условий эксплуатации соответствующих изделий необходимы методы прогнозирования поведения потребительских или эксплуатационных свойств материалов продуктов и изделий из них. При этом предполагается, что время испытания t должно быть существенно меньше прогнозируемого срока годности продукта (или материала), т.е.
Продифференцируем уравнение (1) по времени, тогда
(2)
Это уравнение может стать основой метода ускоренных испытаний. В приближении dχ _→ Δχ и dt _→ Δt из (2) следует
(3)
где и выполняется при условии .

Сегодняшние возможности диэлькометрии позволяют регистрировать малые и очень малые приращения Δχ, что и допускает возможность осуществления инструментального дифференцирования. Процедура измерения ξ сводится к изменению или фиксации надежно регистрируемого приращения Dc, которое соответствует временному интервалу Δt. Величины Δχ_д и τ определяются из независимого исследования кинетической кривой "жизни" данного продукта (или материала). На основании измеренной величины ξ и принимаемых величин Dc_д и τ можно определить время t, которое прошло с момента производства продукта (или материала), а следовательно, и оставшееся время время его пригодности или применимости, т.е. t_n=τ-t.
При условии t≪τ, которому соответствуют продукты и материалы с достаточно большим временем τ (8 10 лет и более), выполнение прямых измерений времени t становится нереальным. Для таких продуктов и материалов уравнение (2) с учетом условия малости t≪τ, дающего приближение принимает вид
(4)
где Dc_д задается условиями эксплуатации (или потребления), Δt время, соответствующее приращению Δχ.

Уравнение (4) позволяет определить время сохранения материала или продукта в пределах заданных характеристик (время жизни) на основании данных измерения Dc и Δt
(5)
а также время сохранения материала или продукта в пределах заданных характеристик от момента измерения, т.к. время, допустимое для употребления продукта или оставшегося срока службы материала,
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью диэлькометрии высокого разрешения, обеспечивающей высокую чувствительность по χ и непрерывную запись показаний. Выбор соответствующей аппаратуры всецело зависит от величины диэлектрических потерь испытуемых образцов. Для высокодобротных образцов чувствительность аппаратуры в настоящее время доведена до 10^-9 10^-11. Для материалов с большими потерями чувствительность уменьшается до 10^-4 10^-5.

Данный способ может быть осуществлен с помощью устройства, блок-схема которого представлена на чертеже. Устройство включает в себя следующие основные узлы и блоки:
генераторы СВЧ Г1 и Г11, предназначенные для генерации частот в диапазоне 9,0 10,0 ГГц в опорном и измерительных каналах;
смеситель СМ, предназначенный для выделения разностной частоты генераторов СВЧ опорного и измерительного каналов;
усилитель УШ, предназначенный для усиления разностной частоты между опорным и измерительным резонаторами;
частотомер Ч, предназначенный для регистрации текущей разности частот между опорным и измерительным генераторами;
системы автоматической подстройки частоты АПЧ1 и АПЧ11, предназначенные для непрерывного поддержания частот СВЧ-генераторов соответственно частотам опорного и измерительного резонаторов;
измерительные ячейки (ИЯ), состоящие из двух резонаторов Р_оп и Р_из с кюветами для введения образцов;
кристаллические детекторы Д1 и Д11, предназначенные для выделения СВЧ-мощности, проходящей через резонаторы;
цифроаналоговый преобразователь ЦАП, предназначенный для преобразования цифрового сигнала, поступающего от частотомера Ч, в аналоговый сигнал;
самопишущий милливольтметр КСП, предназначенный для непрерывной записи выходного сигнала в канале регистрации Df (канал действительной составляющей диэлектрической восприимчивости χ′);
вольтметр, предназначенный для измерения напряжения на СВЧ-детекторе Д1, соответствующего каналу регистрации ΔU (канал мнимой составляющей диэлектрической восприимчивости χ″);
универсальный термостат, включающий в себя термокамеру ТК, в которой поддерживается заданная температура ячейки (ИЯ) и исследуемого вещества, блок управления температурой БТП, датчик температуры R_t.

Установка обеспечивает вывод информации в режиме непрерывной записи относительных изменений мнимой χ″ и действительной χ′ составляющих диэлектрической восприимчивости на самопишущий прибор. В зависимости от проводимых на остановке исследований, измерения Δχ′ и Δχ″ могут быть реализованы в режиме точечных измерений, когда выходные параметры Δf и ΔU установки определяются по показаниям частотомера и вольтметра, или в режиме непрерывных измерений, когда выходные параметры Δf и ΔU записываются на ленте соответствующих самопишущих милливольтметров.

Возможность ведения непрерывной записи выходных параметров, пропорциональных Δχ′ и Δχ″,, позволяет зафиксировать текущие изменения Δχ′ и Δχ″ в процессе деградации или естественного старения материала или продукта.

Работа установки основана на измерении относительных изменений частот и добротностей опорного и измерительного резонаторов, выполняющих функции измерительной ячейки (ИЯ).

В установке осуществляется преобразование Δχ′ _→ Δf _→ ΔU′ и преобразование Δχ″ _→ ΔU″.. Здесь Δf приращение частоты измерительного резонатора, обусловленное приращением Δχ′ вещества, ΔU′ приращение напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя установки ЦАП, обусловленное Δf; ΔU″ изменение напряжения на выходе измерительного резонатора, обусловленное Δχ″..

Для измерения текущих значений χ′ и χ″ и их приращений с помощью резонаторных преобразователей применяется дифференциальная схема измерений приращений частоты резонатора Δf и проходящей мощности через резонатор. Частоты СВЧ-генераторов Г1 и Г11 постоянно поддерживаются равными частотам соответствующих резонаторов с помощью блоков автоматической подстройки частоты (АПЧ), что обеспечивает возможность ведения непрерывной записи выходных параметров (Δf и ΔU).

Один из каналов преобразования сигнала используется в качестве опорного, а второй для измерения приращений диэлектрической восприимчивости исследуемого образца. Т.е. измерение Δχ исследуемого материала проводится путем сравнения его величины c′ с величиной эталонного вещества, находящегося в опорном резонаторе. Сигналы от генераторов Г1 и Г11 подаются на смеситель СМ, на выходе которого выделяется сигнал разностной частоты Δf=f_оп-f_изм. Здесь f_оп и f_изм значения собственных частот резонаторов опорного и измерительного каналов соответственно. Сигнал разностной частоты, усиленный широкополосным усилителем УШ, поступает на частотомер Ч, а затем после цифроаналогового преобразователя на КСП.

Текущие данные по Δf и ΔU принимаются для расчета Δχ′ и Δχ″,, которые, в свою очередь, могут быть использованы для расчета параметров качества материала или продукта.

Высокая чувствительность установки обеспечивает возможность постановки испытаний по прогнозированию срока службы изделия, времени эксплуатации материала или времени пригодности (хранения) продукта. Например, для диэлектрических материалов (и изделий из них) с низкими диэлектрическими потерями: задавая интервал наблюдения Δt=10²-10³ с, получаем τ<10⁸ c (300 лет). Т.е. на временных интервалах в пределах 1 10 минут представляется возможным прогнозировать сроки службы (хранения) материалов до 100 лет и более.

Для веществ с большими потерями (например, водосодержащие продукты): ΔΔχ=10^-4-10^-5; Δχ_д=1-10, τ=10⁵-10⁶ с.. В соответствии с (3) диапазон возможных времен t вплоть до τ перекрывается временными интервалами Dt, не превышающими (2 3)10² c.

Использование: область контроля и испытаний материалов и продуктов. Сущность изобретения: способ ускоренного определения качества материала или продукта заключается в том, что измеряют производную диэлектрической восприимчивости по времени, а в качестве параметра, по которому судят о качестве, используют время сохранения материала или продукта в пределах заданных характеристик от момента измерения, которое рассчитывают по формуле. 1 ил.

Способ ускоренного определения качества материала или продукта, включающий измерение параметра, связанного с диэлектрической восприимчивостью материала или продукта, отличающийся тем, что измеряют производную диэлектрической восприимчивости по времени, а в качестве параметра, по которому судят о качестве, используют время t_n сохранения материала или продукта в пределах заданных характеристик от момента измерения, причем время t_n рассчитывают по формуле

где Δχ_д предельно допустимые изменения диэлектрической восприимчивости, соответствующие сохранению материала или продукта в пределах заданных характеристик;
ζ производная диэлектрической восприимчивости по времени;
t время сохранения материала или продукта в пределах заданных характеристик от момента изготовления, которое определяется экспериментально при t ≲ τ или рассчитывают по формуле t = Δχ_д/ζ при t ≪ τ, где t время от момента изготовления до момента измерения.