152 "Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави шляхом застосування тестових методів(2024) Опришкін, Олександр СергійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. Дисертаційна робота присвячена удосконаленню методів визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу зерна кави), підвищенню точності та вірогідності отриманих результатів за рахунок використання тестових методів та методів статистичного аналізу результатів вимірювань за для покращення якості напою, що є важливим науковим і практичним завданням. Об’єкт дослідження – процес виникнення невизначеності показника якості помелу зерна кави при використанні кавомолки в умовах неусунених ефектів факторної взаємодії. Предмет дослідження – тестовий контроль систем налаштування фракційності помелу зерна кави в умовах невизначеності як їх фізико-механічних властивостей так і властивостей сировини для помелу. Метою дисертаційної роботи є удосконалення методів визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу зерна кави), підвищення точності та вірогідності отриманих результатів за рахунок використання тестових методів та методів статистичного аналізу результатів вимірювань, що суттєво вплине на якість напою. У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету, завдання, об’єкт, предмет, розкрито наукову новизну, практичну значущість одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено дані стосовно апробації та впровадження в практику результатів дослідження, представлені етапи дослідження, надано кількість публікацій за темою роботи. У першому розділі проаналізовано наукові праці вітчизняних і закордонних вчених із питань проблематики дослідження, що дозволило визначити основні напрями наукового пошуку щодо проблеми удосконалення методів визначення та урахування факторного впливу на однорідність помелу зерна кави, підвищення точності та вірогідності отриманих результатів за для покращення якості напою. Визначено важливість використання тестових методів для перевірки якості функціонування системи помелу зерна кави та методів статистичного аналізу результатів вимірювань для визначення суттєвості впливу того або іншого фактору на розсіювання результатів вимірювання вихідної величини, для підвищення якості приготування напою. У другому розділі наведено обґрунтування та зроблено оцінювання достовірності статистичних висновків про інформаційну значимість показників, що впливають на однорідність помелу зерна кави для забезпечення максимально високої якості приготування напою. Виконано аналіз та запропонована спрощена модель перехресних класифікацій, що враховує ефекти одночасної взаємодії чотирьох факторів (час помелу, геометричні розміри зерна, вологість зерна, швидкість обертання валу двигуна) на результат визначення однорідності помелу; проведено її дослідження. Визначені обмеження на кількість рівнів основного параметру (однорідність помелу) та факторів, що впливають на результат визначення при заданій метрологічній невизначеності параметра, що визначається. Отримані залежності для оцінювання достовірності статистичних висновків про інформаційну значимість факторного впливу для спрощеної моделі перехресної класифікації. Представлено аналітичні співвідношення, що дають змогу оцінити кількість інформації для кожного з факторів, що впливають на однорідність помелу. За допомогою дискримінантного аналізу отримані моделі для оцінювання кількості інформації по ймовірностям помилок першого та другого роду; наведені рівняння, що дозволяють розставити фактори, що впливають за рівнем їх впливу на однорідність помелу кави. У третьому розділі представлено аналіз впливу розподілу часток зерна кави на швидкість потоку напою. Визначені базові положення щодо вимірювання швидкості потоку рідини. Представлено результати експериментального дослідження щодо визначення швидкості потоку кави при використанні трьох партій кави від різних виробників. Виконано перевірку гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави при виготовленні напою у кавовій машині методом однофакторного дисперсійного аналізу. Представлені результати перевірки гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави за допомогою лінійного регресійного аналізу (на відсутність впливу часу на величину показника по кожній з трьох вибірок) та результати перевірки гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави за допомогою коваріаційного аналізу (відсутність розходжень у функціональному впливі часу на величину показника контролю). У четвертому розділі представлено обґрунтування доцільності розроблення нечіткої моделі управління для задачі контролю якості помелу. Розроблено ситуаційну систему з нечіткою логікою для другого рівня інформаційно- вимірювальної системи (ІВС). Наведено аналітичні співвідношення нечіткого логічного висновку за алгоритмом Mamdani. Запропоновано варіант формування тестових впливів для першого рівня ІВС. Розроблено ситуаційну систему з нечіткою логікою для першого рівня ІВС. У п’ятому розділі наведено результати експериментального дослідження факторного впливу на однорідність помелу зерна кави, що проведено за допомогою розробленого експериментального стенду на базі кавомолки Mahlkonig EK 43. Встановлено кореляцію між чинниками, що впливають на однорідність помелу. Виконано розрахунок сумарної стандартної невизначеності та розрахунок розширеної невизначеності для корельованих даних. Наведено приклад практичного використання дисперсійного аналізу спрощеної моделі (Розділ 2) при розрахунку кількості очікуваної вимірювальної інформації за показниками контролю та проведено їх ранжирування за рівнем значущості. У висновках показано, що проведено підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави шляхом застосування тестових методів контролю за рахунок визначення основних факторів, що впливають на якість та однорідність помелу зерна кави, та розроблення моделі факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу), що є важливим науковим і практичним завданням. За результатами дослідження: – отримав подальший розвиток метод тестового контролю для підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави; – отримав подальший розвиток метод інформаційного аналізу комплексу показників які впливають на однорідність помелу зерна кави, що дозволив сформувати систему показників в умовах невизначеності відтворення рівнів параметру контролю (однорідність помелу); – вперше запропонована спрощена модель перехресних класифікацій, яка врахувала ефекти одночасної взаємодії чотирьох факторів (час помелу, геометричні розміри зерна, вологість зерна, швидкість обертання валу двигуна) на результат вимірювання одиничного показника контролю (однорідність помелу кави), проведено її дослідження; – обґрунтовано необхідність розроблення нечіткої моделі управління для задачі контролю якості помелу зерна кави. Практичне значення отриманих результатів: – розроблено мікроконтролерну систему на основі платформи Arduino Nano 3.0 на базі кавомолки Mahlkonig EK 43, що дозволяє вимірювати чинники, які впливають на однорідність помелу кави та встановлювати наявність кореляції між чинниками; – у ТОВ «ОЛТА СЕРВІС» (м. Київ) впроваджено перспективний метод виконання налаштувань кавових машин і кавомолок баристою, що дало змогу знизити чутливість кавової машини до варіації властивостей кавового зерна і суттєво вплинуло на якість напою. Запропонований спосіб утворення кавової шайби дав більш стабільний, з точки зору швидкості потоку результат, ніж звичайний спосіб закладання меленої кави (з використанням однорідної сировини) (акт від 13.01.2023 р.). – перспективний спосіб виконання налаштувань кавових машин і кавомолок дав змогу бариста зменшити кількість корекцій до одного на день, на відміну, як раніше треба було підлаштовувати кавомолку три та більше разів на день, що збільшило продуктивність праці на 5%, що дозволить збільшити виробництво, приблизно на 30 пляшок кави за робочий день. – на кафедрі ІВТС НТУ «ХПІ» результати роботи впроваджені, в навчальний процес, де використовуються під час читання лекцій, проведення практичних занять з курсів: «Інформаційно-вимірювальні системи» та «Вступ в теорію систем» (акт від 24.11.2023 р.). Opryshkin O.S. Increasing the efficiency of coffee grain grinding fractional setting systems by applying test methods. Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy (PhD) in specialty 152 – Metrology and information and measurement technology – National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, 2024. The dissertation is devoted to improving the methods of determining and taking into account the factor influence on the measurement result of the control indicator (uniformity of coffee bean grinding), increasing the accuracy and reliability of the results obtained by using test methods and methods of statistical analysis of measurement results to improve the quality of the beverage, which is an important scientific and practical task. The object of study is the process of uncertainty arising in the quality indicator of coffee bean grinding when using a coffee grinder under the conditions of unresolved effects of factorial interaction. The subject of the study is the test control of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding under the conditions of uncertainty of both their physical and mechanical properties and the properties of raw materials for grinding. The purpose of the dissertation work is to improve the methods of determining and taking into account the factorial influence on the result of measurements of the control indicator (uniformity of coffee bean grinding), increasing the accuracy and reliability of the obtained results through the use of test methods and methods of statistical analysis of measurement results, which will significantly affect the quality of the beverage. In the introduction, the relevance of the research topic is substantiated, the goal, tasks, object, subject are formulated, the scientific novelty, practical significance of the obtained results are revealed, the personal contribution of the applicant is determined, data on the approbation and implementation of the research results in practice are given, the stages of the study are presented, the number of publications on the topic of work is given. In the first section, scientific works of domestic and foreign scientists on the issues of the research problematics are analyzed, which allowed to determine the main directions of scientific search regarding the problem of improving the methods of determining and taking into account the factorial influence on the uniformity of coffee bean grinding, increasing the accuracy and reliability of the obtained results for improving the quality of the beverage. The importance of using test methods to check the quality of the coffee bean grinding system and methods of statistical analysis of measurement results to determine the significance of the influence of one or another factor on the dispersion of measurement results of the output quantity, to improve the quality of beverage preparation, is determined. In the second section, the justification and evaluation of the reliability of statistical conclusions about the informational significance of indicators affecting the uniformity of coffee bean grinding to ensure the highest possible quality of beverage preparation are given. An analysis is carried out and a simplified model of crossclassifications is proposed, which takes into account the effects of simultaneous interaction of four factors (grinding time, geometric dimensions of the grain, grain moisture, engine shaft rotation speed) on the result of determining the uniformity of grinding; its study is conducted. The limitations on the number of levels of the main parameter (uniformity of grinding) and factors affecting the result of determination at a given metrological uncertainty of the parameter being determined are determined. The dependencies for assessing the reliability of statistical conclusions about the informational significance of the factorial influence for a simplified model of crossclassification are obtained. Analytical relations are presented that allow estimating the amount of information for each of the factors affecting the uniformity of grinding. With the help of discriminant analysis, models are obtained for estimating the amount of information according to the probabilities of errors of the first and second kind; equations are given that allow ranking the influencing factors by the level of their influence on the uniformity of coffee grinding. In the third section, an analysis of the influence of the distribution of coffee bean particles on the flow rate of the beverage is presented. The basic positions regarding the measurement of fluid flow rate are determined. The results of an experimental study on determining the flow rate of coffee using three batches of coffee from different manufacturers are presented. A hypothesis test was carried out on the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee when making a drink in a coffee machine using a one-factor analysis of variance. The results of testing the hypothesis about the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee using linear regression analysis (on the absence of the influence of time on the magnitude of the indicator for each of the three samples) and the results of testing the hypothesis about the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee using covariance analysis (absence of discrepancies in the functional influence of time on the magnitude of the control indicator) are presented. In the fourth section, the justification for the development of a fuzzy control model for the task of controlling the quality of grinding is presented. A situational system with fuzzy logic for the second level of the information-measurement system (IMS) has been developed. Analytical relations of fuzzy logical conclusion according to the Mamdani algorithm are given. A variant of forming test influences for the first level of IMS is proposed. A situational system with fuzzy logic for the first level of IMS has been developed. In the fifth section, the results of an experimental study of the factorial influence on the uniformity of coffee bean grinding, which was carried out using a developed experimental stand based on the Mahlkonig EK 43 coffee grinder, are presented. The correlation between the factors affecting the uniformity of grinding is established. The calculation of the total standard uncertainty and the calculation of the expanded uncertainty for correlated data are performed. An example of practical use of variance analysis of a simplified model (Section 2) in calculating the amount of expected measurement information according to control indicators and their ranking by the level of significance is presented. In the conclusions, it is shown that an increase in the efficiency of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding has been carried out by applying test control methods due to the determination of the main factors affecting the quality and uniformity of coffee bean grinding, and the development of a model of factorial influence on the result of measurements of the control indicator (uniformity of grinding), which is an important scientific and practical task. According to the results of the study: – the method of test control for increasing the efficiency of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding has been further developed; – the method of information analysis of a complex of indicators affecting the uniformity of coffee bean grinding has been further developed, which allowed to form a system of indicators in conditions of uncertainty of reproduction of control parameter levels (uniformity of grinding); – for the first time, a simplified model of cross-classifications has been proposed, which took into account the effects of simultaneous interaction of four factors (grinding time, geometric dimensions of the grain, grain moisture, engine shaft rotation speed) on the result of measuring a single control indicator (uniformity of coffee grinding), its study has been conducted; – the need to develop a fuzzy control model for the task of controlling the quality of coffee bean grinding has been substantiated. Practical significance of the obtained results: – A microcontroller system based on the Arduino Nano 3.0 platform has been developed on the basis of the Mahlkonig EK 43 coffee grinder, which allows measuring the factors that affect the uniformity of coffee grinding and establishing the presence of correlation between the factors; – In the LLC «OLTA SERVICE» (Kyiv), a new method of setting up coffee machines and coffee grinders by a barista has been introduced, which has made it possible to reduce the sensitivity of the coffee machine to the variation of coffee bean properties and significantly affected the quality of the beverage. The proposed method of forming a coffee puck gave a more stable result in terms of flow rate than the usual method of laying ground coffee (using homogeneous raw materials) (act from 13.01.2023); – The prospective method of setting up coffee machines and coffee grinders allowed the barista to reduce the number of corrections to one per day, unlike before, when it was necessary to adjust the coffee grinder three or more times a day, which increased productivity by 5%, which will allow to increase production, approximately by 30 bottles of coffee per working day. At the Department of IMTS NTU «KhPI», the results of the work have been introduced into the educational process, where they are used during lectures, practical classes from courses: «Information and measurement systems» and «Introduction to the theory of systems» (act from 24.11.2023).Документ Методи тривимірної візуалізації плазматичних мембран еритроцитів для визначення морфологічних ознак(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Бернадська, Тетяна ВолодимирівнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно–вимірювальна техніка (15 – Автоматика та приладобудування). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти та науки України, Харків, 2021. Об'єктом дослідження є вдосконалення способу визначення морфологічних ознак еритроцитів шляхом візуалізації тривимірного зображення з подальшим статистичним аналізом морфологічних змін для визначення ступеня їх функціональності. Предметом дослідження є тривимірні геометричні параметри морфології еритроцитів, які мають властивості змінюватися в залежності від стану пацієнта. В дисертаційній роботі вирішена науково–практична задача підвищення роздільної здатності тривимірного зображення еритроциту для визначення морфологічних параметрів за рахунок вдосконалення методу спектрального аналізу та засобів цифрового спектрометричного перетворення. Дослідження виконано за допомогою фундаментальних положень теоретичних основ геометричної та фізичної оптик, лазерної техніки , чисельного розв’язання рівнянь, сучасних інформаційних технологій. В якості основних інструментів для проведення чисельного моделювання представленого алгоритму розроблена програма на мові Python з використанням бібліотек Numpy і Open CV і програма, що дозволяє будувати і візуалізувати тривимірні моделі по двовимірним знімкам, яка працює під управлінням ОС Windows, написана на мові С ++. Для виведення 3D моделей використовується бібліотека Direct X і графічний прискорювач. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі для вивчення проблемної області та визначення напрямків досліджень проведено аналіз наявності діагностичних ознак на підставі динаміки морфологічних змін еритроцитів і проаналізовані методи лабораторного мікроскопічного дослідження клітин периферичної крові. Також був проведений аналітичний огляд існуючих інтерферометрів з подальшим виявленням їх переваг і недоліків. На підставі проведених досліджень був вибраний оптимальний по суті і способу реалізації заданої мети метод інтерференційної мікроскопії, який дозволить отримати тривимірні зображення еритроцитів поліпшеної якості за рахунок цільової оптимізації та модернізації предметного і опорного пучків променів. У другому розділі обґрунтовано вибір та розташування оптичних елементів принципової схеми, яка дозволила отримати більш точне зображення еритроцитів за рахунок зв’язку між роздільною здатністю системи та кутом між опорним та об’єктним пучками променів, що дало можливість зафіксувати більше кілець навколо інтерференційного зображення еритроцитів. Розроблена оптична схема пристрою, яка має можливість будувати зображення двопроменевої інтерференційної картини при введенні оптичного модулятора, що вирівнює довжину оптичного шляху опорного та об'єктного пучків променів та багатопроменевої інтерференції при використанні камери Горяєва. Принцип роботи розробленого пристрою заснований на тому, що прозорі мікрооб'єкти змінюють фазу світла, що проходить крізь них, так як мають свій показник заломлення, відмінний від показника заломлення навколишнього середовища і через складність структури таких об'єктів, світлова хвиля, що пройшла крізь них, набуває фазовий характер. В основу проектування принципової оптичної схеми була покладена задача отримання інтерференції шляхом поділу пучка променів на дві гілки, розміщення в одній з них мікроскопа і зведення пучків світла на пластині з подальшою фіксацією зображення цифровою камерою і виведенням на монітор комп'ютера. Додатково для спрощення процесу дослідження еритроцитів та підвищення його технологічності була розроблена принципова оптична схема інтерференційного мікроскопу з можливістю отримання різних ступенів збільшення без перефокусування. Для цього було запропоновано застосувати дві телескопічні системи Галілея з різними фокусними відстанями. Використання телескопічної системи Галілея дозволило досягти такого збільшення всією системою, яке можливо без цього елементи лише за умови використання імерсійного об'єктиву та мастила до нього. У третьому розділі було запропоновано обробити отримані в результаті експерименту інтерференційні зображення еритроцитів з метою визначення геометричних морфологічних характеристик застосувавши для побудови тривимірного зображення еритроцитів метод цифрової обробки сигналів на основі перетворення Фур'є, з накладанням смугового фільтру, метод візуалізації тривимірної форми об'єктів за двовимірними знімками та метод спектрального аналізу. Одним із способів отримання тривимірного зображення є метод на основі перетворення Фур'є, згідно з яким необхідно виконати перетворення Фур'є над зареєстрованим зображенням. Для цього була розроблена програма на мові Python з використанням бібліотек Numpy і Open CV. Для демонстрації роботи програми був розроблений алгоритм обробки зареєстрованого зображення. Другим способом побудови тривимірної моделі еритроцита є метод отримання тривимірних зображень за двовимірними знімками. Програма, що застосовується для даного методу, працює під управлінням ОС Windows, написана на мові С ++.Для виведення 3D моделей використовується бібліотека Direct X і графічний прискорювач. Основний алгоритм по карті щільності синтезує 3D сітку трикутників, що використовується для апроксимації поверхні, накладає на неї вибраний користувачем градієнт, закодований у вигляді 1D–текстури, як текстурної координати в розгортці використовується значення щільності. Після чого, отримана поверхня раструється за допомогою графічного прискорювача з обраного користувачем кута спостереження. Третім способом отримання тривимірного зображення еритроцитів є метод спектрального аналізу, сутність якого полягає в здатності молекул поглинати електромагнітне випромінювання. Характеризуючи спектри поглинання біомолекулами квантів світла, можна кількісно отримати інформацію про особливості будови мікрооб'єктів. Також були проведені дослідження метрологічних характеристик розробленого методу відновлення геометричних параметрів еритроцитів як методу їх непрямого вимірювання. У четвертому розділі була описана практична реалізація запропонованого вдосконаленого методу. Для здійснення перевірки висунутих припущень і отримання тривимірного зображення еритроцитів, на основі розробленої принципової оптичної схеми був зібраний експериментальний стенд. Для більш точного відображення інформації про морфології еритроцитів додатково був приведений розрахунок товщини інтерференційних смуг при заданій довжині хвилі випромінювання, кута між опорним і об'єктним пучками променів та роздільної здатності цифрової камери для фіксації зображення. Запропоновано дії зі зміни даного параметра. Детально описані етапи складання та юстування оптичної схеми інтерференційного мікроскопу. Для калібрування збільшення мікроскопа було запропоновано використовувати сітку камери Горяєва, в якій розмір великих та маленьких квадратів відомій. Для калібрування програми, що дозволяє відобразити тривимірне зображення еритроцитів з накладенням вертикальних и горизонтальних шкал, був зроблений знімок інтерференційної картини введеної плоскопаралельної пластини заданої товщина. В якості пластини використовували скло товщина 0,35 мм. Для проведення оптико-біологічних досліджень динаміки зміни форми еритроцитів був розроблений механізм екзогенного впливу на морфологію оболонки еритроцита. Для зміни форми еритроцитів була застосована здатність даних клітин змінювати форму під дією осмотичного тиску при розміщенні їх в різні по концентрації солей розчини. В дисертаційній роботі проведено комплекс теоретичних і практичних досліджень стосовно метода тривимірної візуалізації плазматичних мембран еритроцитів для визначення морфологічних ознак. Сукупність отриманих результатів роботи можна класифікувати, як розробку теоретичного забезпечення та вирішення важливої науково–прикладної задачі, що має вагоме значення в розвитку методів лабораторної діагностики відносно сучасних вимог медицини та нового напрямку в мікроскопії. Результати досліджень дозволили отримати низку наукових результатів: – Вперше за рахунок вдосконалення методу спектрального аналізу та засобів цифрового спектрометричного перетворення отримано тривимірне зображення еритроцитів, яке з підвищеною роздільною здатністю відображає інформацію про їх морфологічні параметри; – Отримано розвиток процесу спрощеного лабораторного дослідження стану плазматичних мембран еритроцитів і підвищена його технологічність за рахунок вдосконаленої принципової оптичної схеми інтерференційного мікроскопа з автоматизованою зміною збільшення і поліпшеними оптико-технічними характеристиками. Перевагами даного вдосконалення є забезпечення можливості отримання двопроменевої і багатопроменевої інтерференційної картини за рахунок динамічної зміни елементів оптичної схеми; – Вдосконалено математичний опис морфологічних ознак еритроцитів завдяки поєднанню метода інтерференційної мікроскопії в з методом цифрової обробки сигналів для тривимірної візуалізації фазових мікрооб'єктів за рахунок математичної статистичної обробки інтерференційного зображення; – Розроблено та виготовлено експериментальний стенд для одержання нової вимірювальної інформації відносно геометричних та морфологічних ознак клітин крові при використанні запропонованих технічних рішень, отриманих у дисертаційній роботі. Особливо треба відзначити можливість динамічної зміни елементів оптичної схеми, зменшені масогабаритні параметри та можливість визначення ефективних співвідношень конструктивних параметрів оптичних елементів і їх взаємного розташування з метою створення зображення еритроцитів поліпшеної якості.Документ Розробка електромагнітного методу та пристрою для розбраковки металевих пластин(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Ал Аббасі, ЖаббарДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 – метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка (15 – автоматизація та приладобудування). Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020. Об’єктом дослідження є процес безконтактного електромагнітного контролю якості металевих пластин. Предметом дослідження є методи та пристрої забезпечення чутливості електромагнітних перетворювачів при розбракуванні металевих пластин однієї марки сталі. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення чутливості електромагнітних перетворювачів при розбракуванні металевих пластин однієї марки сталі з близькими електрофізичними властивостями. Дослідження здійснене за допомогою як класичних, так і нових сучасних методів вирішення прикладної задачі теорії електромагнітного поля, диференційних та резонансних методів вимірювань, теорії ймовірності випадкових процесів, інформаційної теорії контролю. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. У першому розділі виконано огляд та проведено аналіз питань контролю та діагностування структури металевих виробів. З відомих розглянутих методів контролю структури виробів, обрано електромагнітний метод контролю та діагностування як найбільш задовольняючий поставленій задачі. Відмічена його особливість, загальні технічні характеристики, область використання. Виконано огляд існуючих приладів електромагнітного контролю та діагностування структурного стану металевих виробів, проаналізовані їх технічні характеристики. Висвітлені позитивні і негативні аспекти з апаратурного, алгоритмічного і програмного забезпечення існуючих приладів контролю структури промислових металевих об’єктів. Обґрунтовано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі досліджені теоретичні питання розподілу змінного електромагнітного поля у феромагнітній пластині. Отримані вирази, що описують поведінку амплітуди і фази магнітного потоку в плоскій металевій пластині, які покладені в основу розробки і реалізації електромагнітних методів і пристроїв для безконтактного контролю магнітних і електричних параметрів плоских металевих виробів, тобто при рішенні зворотної задачі, запропоновано використання диференційного трансформаторного електромагнітного перетворювача для розбракуваня матеріалу плоских металевих виробів, показано, що кожному значенню заданої максимальної похибки відповідає певна робоча ділянка залежностей універсальних функцій перетворення в околицях вибраної точки. Результати досліджень дозволили отримати ряд наукових результатів: – запропоновано подальший розвиток методу рішення зворотної задачі для електромагнитного перетворювача з плоским металевим виробом, отримано вирази нормованої амплітуди магнітного потоку і його фази, які є універсальними функціональними залежностями, що однозначно пов'язують сигнали електромагнітного перетворювача з узагальненим параметром, величина якого залежить від електричних, магнітних параметрів і товщини пластини та частоти зондуючого магнітного поля; – розроблено метод і пристрій на основі диференційного трансформаторного електромагнітного перетворювача для розбраковування за електромагнітними параметрами матеріалу плоских металевих виробів навіть у тому випадку, коли електромагнітні параметри досліджуваного і стандартного зразків не сильно відрізняються між собою, що дозволяє, за певних умов, разом з підвищенням роздільної здатності (точності) істотно спростити процедури, як вимірювальних, так і розрахункових операцій. Отримані співвідношення дозволяють визначати величину зміни значення магнітного і електричного параметрів металевого плоского виробу за виміряними електричними параметрами вихідного сигналу перетворювача з врахуванням вибраного режиму роботи; – показано, що кожному значенню заданої максимальної похибки контролю відповідає певна робоча ділянка залежностей універсальних функцій перетворення в околицях вибраної робочої точки диференційного трансформаторного електромагнітного перетворювача. У третьому розділі представлені дослідження з використання параметричних електромагнітних перетворювачів для безконтактного розбраковування металевих пластин однієї марки сталі за їх єлектромагнітними характеристиками. Запропоновано параметричний електромагнітний перетворювач для контролю електромагнітних параметрів пластин на основі використання моста змінного струму в неврівноваженому режимі роботи. Сформульована загальна задача функціонального використання резонансної схеми включення параметричних електромагнітних перетворювачів накладного типу для розбраковування металевих пластин. Розроблено мультирезонансні методи електромагнітного контролю і пристрій, що його реалізує, який дозволяє збільшити чутливість перетворювача до зміни електромагнітних параметрів досліджуваних феромагнітних пластин в два рази і в першому наближенні, виключити вплив зміни температури і зазору між первинним перетворювачем і поверхнею досліджуваного плоского виробу. Дослідження даного розділу дозволили одержати наступні результати: – запропоновано метод включення прохідного параметричного електромагнітного перетворювача в схему моста змінного струму, що працює в неврівноваженому режимі поблизу точки рівноваги, отримано вирази для визначення амплітуди і фази напруги в діагоналі моста, коли електромагнітні параметри досліджуваного зразка відрізняються від параметрів стандартного зразка та визначені чутливості перетворювача; – запропоновано однопараметровий метод виділення корисної інформації, коли котушка параметричного перетворювача включена в схему автогенератора, вихідна частота якого залежить від структурних відмінностей об'єктів контролю; – запропоновано метод і пристрій з двома автогенераторними перетворювачами, що дозволяє збільшити чутливість в два рази і, в першому наближенні, виключити вплив повітряного зазору між датчиком і контрольованим виробом, отримано співвідношення та оцінена методична похибка, викликана нелінійністю функції залежно від величини зміни зазору; – розроблено мультирезонансний метод електромагнітного контролю і пристрій, що його реалізує, який дозволяє збільшити чутливість перетворювача до зміни електромагнітних параметрів досліджуваних феромагнітних пластин в два рази і при цьому, в першому наближенні, виключити вплив зміни температури та зазору між первинним перетворювачем і поверхнею досліджуваного плоского виробу; Четвертий розділ присвячений розробці електромагнітних перетворювачів прохідного і накладного типів з підвищеною чутливістю, як з феритовим осердям, так і без нього. Проведені експерименти, після обробки результатів показали, що на гістограмі вихідної напруги датчика чітко видно відмінність між характеристиками прокату однієї марки сталі двома заводами виробниками. Запропонований в роботі автоматизований пристрій, що реалізує мультирезонансний метод розбракування металевих пластин з близькими електромагнітними характеристиками, дозволяє істотно зменшити, як вплив зазору між перетворювачем і досліджуваним виробом, так і вплив температури довкілля на точність контролю. Для перевірки достовірності отримуваних результатів в роботі були проведені багатократні виміри коерцитивної сили в окремо вибраних контрольних точках для тих же зразків металевих пластин. За дослідженнями даного розділу отримані наступні результати: – розрблена функціональна схема експериментального лабораторного макету з диференціальним трансформаторним електромагнітним перетворювачем прохідного і накладного типів з підвищеною чутливістю, як з феритовим осердям, так і без нього; – проведено експериментальні дослідження з розбраковки феромагнітних зразків з використанням параметричного перетворювача, включеного в схему моста змінного струму; – запропонована конструкція первинного перетворювача, який дозволяє істотно понизити вплив зазору між перетворювачем і досліджуваним виробом, а також понизити вплив температури довкілля на точність контролю. – на базі мікроконтролера створено автоматизований пристрій, що реалізовує мультирезонансний метод розбраковування тонколистових феромагнітних виробів; – достовірність отриманих результатів оцінена при проведені багатократних вимірів коерцитивної сили в окремо вибраних контрольних точках для двох різних партій сталевого прокату та визначено середньоквадратичне відхилення значень коерцитивної сили, що характеризує міру неоднорідності структури в партії; – розроблено та запатентовано первинний перетворювач, який дозволяє істотно понизити вплив зазору між перетворювачем і досліджуваним виробом, а також понизити вплив температури довкілля на точність контролю.Документ Пристрій контролю та діагностування стану промислових динамічних об’єктів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Коржов, Ігор МихайловичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка (15 – автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2019. Об’єктом дослідження є процес проведення аналізу в первинних і вторинних системних перетвореннях інформації, що породжує проблемну ситуацію з удосконалення апаратурних, алгоритмічних та програмних засобів контролю та діагностування складних промислових об’єктів. Предметом дослідження є пристрій контролю та діагностування стану динамічних промислових об’єктів. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення ефективності пристроїв контролю та діагностування стану складних промислових об’єктів з невизначеними динамічними властивостями. Вирішення здійснене за допомогою як класичних, так і принципово нових сучасних методів теорії ймовірності, випадкових процесів, багатомірного статистичного аналізу, інформаційної теорії вимірювань і контролю. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі здійснений аналітичний огляд та оцінка питань в області контролю і діагностування стану промислових об’єктів. Обраний об’єкт діагностування, розглянута його структура, технічні характеристики, область використання. Виконаний аналіз методичних, алгоритмічних та апаратурних засобів вимірювання температури і механічної вібрації. Виконаний огляд існуючих засобів контролю та діагностування стану складних промислових об’єктів, проаналізовані їх техніко-економічні характеристики, обрана оптимальна структура контрольно-діагностичної системи. Висвітлені аспекти з апаратурного, алгоритмічного і програмного забезпечення при створенні пристрою контролю та діагностування стану складних промислових об’єктів. Обрані напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі досліджені імовірнісні моделі параметризації спектральних змін стаціонарних вимірювальних сигналів. Здійснена формалізація імовірнісних властивостей нестаціонарних випадкових сигналів, досліджені кореляційні моделі спектральної нестаціонарності цих сигналів, проведений дисперсійний аналіз частотної та часової моделей автокогерентності, оцінена чутливість кореляційно-спектральної моделі показника автокогерентності багатовимірного термодинамічного процесу, оцінені дискримінуючі властивості показників автокогерентності при класифікації вібраційних процесів, досліджені діагностичні властивості складових показника автокогерентності, проведений вибір показників контролю нестаціонарності динамічних процесів. Результати досліджень дозволили отримати ряд наукових результатів: - отримала розвиток теорія автокогерентності спектрально нестаціонарних вимірювальних сигналів. Визначені умови вибору числа масштабів та зсувів при оцінці коефіцієнтів автокогерентності для задачі контролю порушень стаціонарності вимірювального сигналу; - отримані умови калібрування показника автокогерентності, що відповідають відсутності порушення стаціонарності, розроблена імовірнісна модель показника автокогерентності, що враховує мінімальне значення (масштабу) спектрального вейвлет-перетворення; - показана можливість дисперсійного розкладання базового показника автокогерентності на парні незалежні складові, які дозволяють отримати незалежну інформацію про порушення стаціонарності з урахуванням функціональних та випадкових змін спектру; - на прикладі теплових динамічних процесів показана ефективність розробленого показника автокогерентності для задач контролю динамічних властивостей інерційних багатомірних промислових об’єктів. Також показана можливість автоматичної корекції похибки вимірювання температури, якщо контролювати весь тепловий процес, а не його окремі значення; - на прикладі вібросигналів показана можливість якісної класифікації технічних станів, а також кількісної класифікації окремих частотно-часових складових показника автокогерентності; доведено, що найкращими діагностичними властивостями характеризуються випадкові (шумові) складові показника автокогерентності. В третьому розділі представлені дослідження з діагностичних властивостей показників автокогерентності при обмеженнях на обсяги вимірювальної інформації. Сформульована загальна задача функціонального діагностування динамічних промислових об’єктів, вибрана модель параметричної дискримінації, досліджено вплив обсягу навчальної вибірки на середній ризик діагностування, створені математичні та комп’ютерні моделі оптимізації простору інформативних ознак за критерієм максимуму вірогідності та проведено їх дослідження. Дослідження даного розділу дозволили одержати наступні результати: - експериментальні дослідження показників автокогерентності вібраційних сигналів показують, що для контролю та діагностування технічного стану вібраційних об’єктів можливо використовувати лінійну вирішувальну функцію, для якої можливо використати таблиці дисперсії показників автокогерентності та нормовану коваріаційну матрицю, які дозволяють сформувати, шляхом перемноження, сумарну коваріаційну матрицю; - одержані рівняння для середнього ризику та вірогідності діагностування, які дозволяють моделювати вплив обсягу навчальної вибірки та кількості інформативних ознак на показники ефективності контролю технічного стану; - доведено існування мінімальних екстремальних значень середнього ризику для теплових та вібраційних об’єктів, що дозволило використати, в якості цільової функції оптимізації простору інформативних ознак, середній ризик; - досліджено комплексний вплив трьох параметрів (геометричної відстані між діагностованими станами, кількості інформативних параметрів, обсягу навчальної вибірки) на величину вірогідності контролю та діагностування технічного стану як теплових так і вібраційних об’єктів; таке дослідження довело спроможність формувати оптимальну, за максимумом вірогідності контролю, систему інформативних ознак. Четвертий розділ присвячений розробці алгоритмічного та програмного забезпечення пристрою контролю та діагностування стану промислових об’єктів. Розглянуті методи первинного і вторинного статистичного перетворень, які базуються на регресійному, спектральному, дисперсійному і коваріаційному аналізах пристрою контролю та діагностування, дозволили сформувати структуру і принцип функціонування алгоритмічного забезпечення при обмеженні обсягів вимірювальної інформації за діагностованими функціональними станами. В розділі обране програмне середовище для реалізації розроблених алгоритмів, розроблені фрагменти програм пристрою контролю та діагностування стану промислових об’єктів на платформі LabView. За дослідженнями даного розділу отримані наступні результати: - розроблена структура алгоритмічного забезпечення пристроїв контролю та діагностування динамічних об’єктів, яка складається з первинного і вторинного статистичного перетворення і містить реалізацію процесів дискретизації вимірювальних сигналів, дискретизованого аналогового вейвлет-перетворення, процедур диференціювання та інтегрування; - реалізована процедура адаптивного вейвлет-перетворення із гнучким вибором гаусівського материнського вейвлета, що дозволяє мінімізувати похибки контролю та діагностування. - сформовані комп’ютерні компоненти алгоритмічних і програмних процедур первинного і вторинного статистичного перетворення при синтезі комп’ютеризованих діагностичних систем, проведенні імітаційного моделювання, аналізу впливів дестабілізуючих факторів при здійснені контролю параметрів вузлів динамічних об’єктів та діагностуванні їх стану; - розроблене програмне забезпечення пристрою контролю та діагностування стану промислових об’єктів на платформі LabView з використанням об’єктно орієнтованої мови програмування, що дозволяє в пакетному режимі та в режимі реального часу здійснювати необхідні контрольні процедури. В п’ятому розділі представлені інженерні додатки для контролю і діагностування складних промислових агрегатів. Наведені дослідження при розробці та патентуванні первинних перетворювачів, виборі і патентуванні структури вимірювальних каналів первинних перетворювачів, розробці і створенні електронних блоків первинного і вторинного перетворення інформації. Запропонована методика калібрування вібровипробувальних стендів для метрологічного забезпечення первинних перетворювачів вібрації, розглянута перевірка кваліфікації калібрувальних лабораторій в Україні та вплив метрологічного забезпечення на створення систем контролю та діагностування складних промислових об’єктів. За виконанням даного розділу отримані наступні результати: - розроблені та запатентовані первинні перетворювачі температури для моніторингу інфранизькочастотних процесів в досліджуваному промисловому об’єкті при оцінці теплових режимів, а також первинні перетворювачі механічної вібрації для моніторингу високочастотних процесів при оцінці стану підшипників кочення редукторів-розгалужувачів; - на базі мікроконтролера Arduino створений пристрій контролю та діагностування стану зон нагрівання екструдера для виготовлення термопластів та стану підшипників кочення в редукторах-розгалужувачах; - виконані метрологічні дослідження апаратури для вимірювання інфранизькочастотних і високочастотних вимірювальних сигналів, запроваджені до використання вібровипробувальні установки, сформовані методики калібрування цих установок. - представлені перспективи розвитку теорії і практики контролю та діагностування процесів, що характеризуються різними частотними показниками, в спеціалізованих метрологічних лабораторіях.