10.Акустические свойства сред. Звуковой и ультразвуковой методы контроля. Акустические методы неразрушающего контроля: активные, пассивные методы.

Акустические методы – это методы, основанные на взаимодействии вещества с упругими акустическими волнами. Акустические методы используют частоты колебаний широчайшего диапазона. Диапазон от 20 Гц до 20 Гц – это слышимый диапазон, то, что слышит человеческое ухо. < 20 Гц – инфразвуковой, там где инфразвук, > 20 кГц – ультразвуковой диапазон, т.е. ультразвук.

Поскольку больше частота, тем больше энергии характерно для ультразвукового диапазона. Все акустические методы предполагают использование этого диапазона.

Акустические методы, использующие частоты колебаний от 20 кГц до 100 МГц относятся к ультразвуковым. Они широко используются в практике контроля технических процессов и готовой продукции. Ультразвуковой метод основан на измерении скорости распространения и поглощения ультразвуковой волны в контролируемой среде. Эта скорость зависит от химической природы среды, от концентрации компонентов среды, а также она зависит от плотности и вязкости среды, но еще зависит от температуры. А значит, метод может быть использован для контроля целого ряда свойств – реологических свойств и состава контролируемых систем веществ и материалов. Акустическая волна может претерпевать ослабления в результате поглощения однородной средой или рассеяния и преломления неоднородной средой, т.е. гетерогенной средой.

1)Поглощение ультразвуковой волны однородной, т.е. гомогенной средой.

Ультразвуковая волна ослабляется в результате поглощения при распространении в однородной среде под действием сопротивления этой среды. Для жидких сред уравнение, которое связывает амплитуду ультразвуковой волны со свойствами контролируемой среды, может быть представлено следующим образом: A_l = A₀ * e^-α*l

Где буквами А соответственно обозначены амплитуда ультразвуковой волны на входе в измерительную камеру датчика А_0. И при проникновении в контролируемую среду на глубину l – A_l

α-коэффициент поглощения звука, его величина зависит от частоты колебаний звуковой волны от скорости распространения ультразвуковой волны от вязкости, от плотности среды. А значит, измеряя измерения амплитуды ультразвуковой волны, можно определить коэффициент поглощения и связанные с ним параметры. Именно на этом основано использование ультразвукового метода денситометрическим и вискозиметрическим методами.

2)Рассеяние ультразвуковой волны в неоднородной (гетерогенной) средой.

Ослабление также может происходить в стадии рассеяния или преломления волны при прохождении ее через межфазные границы гетерогенной системы. Эти процессы подчиняются известным законам преломления и отражения. Данный метод может быть использован для контроля дисперсных сред. Появление частицы дисперсной фазы, называет эти явления преломлением, рассеянием, а значит, метод может быть использован для контроля таких дисперсных сред, как эмульсия, дисперсия.

Средства измерения. Важной частью ультразвукового прибора является чувствительный элемент, который в данном случае часто совмещает функции излучателя и приемника. В качестве ЧЭ используют электроакустические преобразователи. Важным достоинством ультразвуковых приборов (и самого метода) является то, что контролю подвергается весь объем пространства, заполненный контролируемой средой, а не только его узкая часть или тонкий слой у поверхности ЧЭ.

Акустические методы неразрушающего контроля (ультразвуковая дефектоскопия).

Этот метод относят к числу традиционных методов неразрушающего контроля. Этот метод используют для обнаружения неоднородности и дефектов, что особенно важно в контроле качества продукции каких-то изделий в процессе их производства и в качестве готовой продукции. Акустические методы неразрушающего контроля делят на 2 группы:

*активные методы

*пассивные методы

Активные – основаны на излучении и приеме ультразвуковой волн.

А пассивные – только на приеме волн, источником которых является СА контролируемый объект.

Активные методы. Самый распространенный среди всех акустических методов – эхо-метод. Более 90% всех измерений, проводящихся с помощью акустических методов, приходится именно на эхо-метод. Схема, которая иллюстрирует ультразвуковой дефектоскопии с использованием эхо-метода.

1-генератор

2-излучатель

3-объект контроля

4-приемник

5-усилитель

6-синхронизатор

7-индикатор

8-дефект

Эхо-метод основан на регистрации отраженных эхо-сигналов от объекта (либо от дефекта, либо от дна изделия). На экране 7 индикатора наблюдают посланный, т.е. зондирующий I импульс, эхо-сигнал, отраженный от противоположной стороны (поверхности), т.е. от дна дефекта, он так и называется донный сигнал III. Время прихода импульса 2 и 3 соответственно пропорционально глубине залегания дефекта II и толщине изделия – это донный импульс. При совмещенной схеме один и тот же преобразователь может выполнять функции как излучателя, так и приемника. В данном случае это и представлено на рисунке. Поэтому 2 и 4 размещены вместе.

Область применения: с помощью данного метода решают задачи дефектоскопии сквозных соединений. Поэтому контролю можно подвергать не только металлические материалы, но также и полимерные и иные материалы.

- В геологии применяют этот метод там, где различные слои обладают разной плотностью, а значит этот метод можно использовать для того, чтобы определить глубину залегания многих полезных минералов, а также нефти и иных полезных ископаемых.

- Метод применяется для контроля толщины изделий, а значит можно определить размеры этих изделий.

- Для измерения расстояний (эхолокации, сонары)

- В авиации, судоходстве и рыболовстве не только для измерения расстояния, но и для того, чтобы определять неоднородность.

- УЗИ исследования в медицине.

Пассивные методы – они основаны на измерении упругих колебаний, волн, возникающих в самом контролируемом месте. Наиболее распространенные – акустико-эмиссионный метод. Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом, т.е. каким-то твердым телом, в результате внутренней, динамической, локальной перестройке его структуры при деформации. Это явление называется явлением акустической эмиссии. Эмиссия – это выброс какой-либо энергии (например, магнитной). Ранняя стадия деформирования, т.е. процессовозникновения, зарождения, развития микротрещин в ионосфере распределенных по его объему – это то, что служит источником акустической эмиссии. Схема, которая иллюстрирует ультразвуковую дефектоскопию с использованием акустической эмиссии.

1-объект

2-приемник

3-усилитель

4-блок обработки информации с индикатором

Этот метод используют для контроля и исследования материалов различных конструкций изделий. Преимуществом этого метода перед другими является то, что он позволяет фиксировать только развивающиеся действительно опасные дефекты. С помощью данного метода можно выполнять контроль больших участков, и даже всего изделия без сканирования его преобразователей.

11.Классификация термических методов. Тепловые свойства: энтальпия, теплопроводность, характеристические температуры и т.п. Средства измерений. Энтальпиметрия, термический анализ, термогравиметрия, термомеханический метод, термокондуктометрия.

Термические методы основаны на молекулярно-тепловых свойствах и термических явлениях и процессах, протекающих при взаимодействии вещества или материала с тепловым полем, то есть с тепловой энергией.

Наиболее распространённые тепловые эффекты, связанные с протеканием химической реакции, то есть они являются либо причиной, либо следствием протекания химической реакции.

Это могут быть реакции:

-хемосорбции

-окисление

-восстановление

-разложение

-горение

-полимеризации

-каталитические реакции и т.д.

В меньшей степени, но тем не менее применяются те тепловые эффекты, которые связаны с протеканием химических процессов:

-переход из одного агрегатного состояния в другое

-переход из одной модификации в другую

-абсорбция

-десорбция и другие изменения межмолекулярного взаимодействия, например, при растворении, при разбавлении и т.д.

Измерительным сигналом служит: температура, изменение энтальпии, теплопроводность, количество тепла и т.д. Наиболее часто измеряют температуру.

Средства измерения: термометры, чувствительные термометры, термопары.

Классификация термических методов:

1)связанные с теплообменом:

- термический анализ

- энтальпиметрия (калориметрия)

-термомеханический метод (дилатометрия)

-термогравиметрический метод

2)основанные на теплопроводности

-термокондуктометрический метод (катарометрия)

Теплообмен – это один из видов обмена энергией физического тела с окружающей средой.

Теплопроводность – процесс переноса энергии от более нагретого участка какого либо тела, к менее нагретому в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц.

Явления или процессы, связанные с выделением теплоты называются экзотермические ∆Н<0 (тепловой эффект имеет отрицательную величину).

Явления или процессы, связанные с поглощением теплоты называются эндотермические ∆Н>0 (тепловой эффект имеет положительную величину)

Энтальпиметрический метод (калориметрический метод).

Энтальпиметрия (калориметрия) – это метод, основанный на определении количества вещества по разностям температур (∆Т) – соответствующих изменением энтальпий (∆Н). Все химические реакции сопровождаются изменением энергии, а значит энтальпии.

Уравнение Кирхгофа:

∆Н=С*∆Т , где С – теплоёмкость (Дж/К); Т-температура (К)

Энтальпия системы является суммой всех энтальпийных вкладов системы:

∆Н=∑∆H_i

Это прежде всего вклады:

- энтальпия собственно химической реакции

- энтальпия прочих физических процессов

Это могут быть процессы: разбавления, растворения, плавления, замерзания, испарения и т.д.

∆Н=∑∆H_i = n ∙∆Н_R* + ∑∆H_j (***)

∆Н – энтальпия системы

n – количество молей реагирующего вещества

∆Н_R* - мольная энтальпия

Физический смысл мольной энтальпии – изменение энтальпии в ходе реакции 1 моля вещества. Количество молей в единицу объема – молярная концентрация вещества (Св-ва).

Cв-ва = а∙∆T + b – это уравнение устанавливает связь между концентрацией вещества и изменением температуры, которое связано с изменением энтальпии.

Х + В = Р - ∆Н (экзотермическая реакция)

Энтальпиметрические кривые:

В – избыток реагента

Определение концентрации можно проводить в ходе прямой энтальпиметрии (прямых определений), либо путем косвенных определений – это энтальпиметрическое титрование.

Прямая энтальпиметрия:

1)когда известно мольная энтальпия реакции (это справочная величина ∆Н_R*), то концентрацию можно рассчитать по формуле (***)

V-объем – величина известная

∆T – определяем при помощи энтальпиметрической кривой, т.е. экспериментально

Теплоемкость сосуда – она либо известна, либо ее устанавливают по стандартному раствору, а значит можно по формуле произвести расчет концентраций

2)графический способ (способ градуировочного графика). График будет иметь линейный вид.

Энтальпиметрическое титрование (термометрическое титрование) – в этом методе используют зависимость температуры исследуемой системы от объема добавляемого реагента (титранта). Это титрование может быть легко автоматизировано, при постоянной скорости прибавления титранта обычно эти кривые строятся в координатах температуры, как функция времени. Для уменьшения погрешности необходимо, чтобы концентрация исследуемого раствора была не меньше чем 10^-3 моль/л. Раствор титрантов должен быть концентрированным для снижения эффекта разбавления, ну и с этой же целью составы реагирующих растворов должны быть по возможности одинаковыми, чтобы устранить все лишние тепловые эффекты. Калориметрия – это метод, основанный на определении энтальпии реакции сгорания при сожжении вещества в избытке кислорода так называемой в «калориметрической колбе».

Термический анализ – это метод исследования физико-химических процессов и химических превращений, происходящих в веществе в условиях программированного изменения температуры. Для измерения используют датчики, в состав которых входят термопары. Существует 2 основных способа для выполнения термического анализа:

1)визуальный – он состоит в наблюдении и измерении температуры, появлении и исчезновении неоднородности в системе (это, например, выпадение кристаллов или плавление вещества, исчезновение мути в системе и т.д.)

2)инструментальный – он состоит в измерении температуры, как функции времени. Его применяют чаще, поскольку он дает точный результат.

Кривые, которые мы при этом получаем:

Такие кривые мы называем термограммы.

1)Кривая, когда в системе никакие процессы не протекают. В большинстве случаев происходят те или иные превращения. Это либо химические превращения, либо химические реакции. Если происходят химические превращения, мы будем наблюдать отклонения температуры, происходит плавление.

2)Кривая, если протекают химические реакции. Термограммы позволяют нам определять важные температурные характеристики веществ и материалов. Во-первых, температура плавления, кипения, разложения, воспламенения, возгорания и т.д., то, что мы объединяем под общим названием характеристические температуры различных твердых и жидких веществ или интервалы температур плавления, размягчения (например, полимерных материалов).

Все эти характеристики сугубо индивидуальные для вещества, а значит можно их использовать для идентификации веществ (например, можно судить о структурных изменениях в каких-то телах, а также для испытания веществ на чистоту, т.е. для оценки качества вещества). Существует несколько способов выполнения термического анализа. Наиболее чувствительным является способ регистрации, связанный с измерением температуры через определенные небольшие интервалы времени. Метод называют деривационным анализом.

В этом случае характер кривых будет несколько иным. Если это просто термический анализ, в этом случае кривая будет иметь вид (1). Однако экспериментально осуществить так называемый дифференциально-термический анализ (3). В этом случае регистрируют изменение температуры, т.е. ∆t , используя стандартный образец. В качестве образца сравнения используют инертный материал (например, оксид алюминия Al2O3) и проводят сравнение температуры образца сравнения (эталона) и температуры исследуемого образца. Эти кривые будут иметь вид пика. ДТА используют для идентификации веществ, т.е. для качественного анализа.

Термогравиметрический метод (термогравиметрия) – это метод термического анализа, основанный на регистрации зависимости массы образца от температуры. Его используют в таком случае, когда при нагревании или охлаждении вещества (чаще всего при нагревании) выделяется (иногда и поглощается) газообразные вещества (пары воды, СО, O2, NH3, окислы азота, окислы серы и т.д.). Кривая зависимости массы или изменения массы исследуемого образца от температуры называется термогравиграммой или термогравиметрической кривой.

Если изменении массы выражено не очень отчетливо, тогда строят дифференциальную кривую и это изменение массы на дифференциальной термогравиграмме выражено более отчетливо. Мы получаем кривые в виде пиков. Установка для термогравиметрических измерений состоит из:

- термолистов непрерывного взвешивания

- нагревательной печи

- устройство для регистрации температуры (термопары)

- программный регулятор температуры

При выполнении анализа пробу вещества помещают в тигель, который помещают в свою очередь на чашечку весов, и одновременно в электропечь, содержащую термопару. Дальше включают печь и регистрируют изменение температуры и массы. Надежные результаты могут быть получены с использованием диреватографии, которая представляет собой комбинацию 2 методов (термогравиметрического и дифференциального термического анализа).

Схема диреватографа:

1 – печь

2 - стандартный образец (вещество)

3 – исследуемый образец

4 - термоэлементы

5 – коромысло весов

6 – весы

7 – магнитная катушка (вращающийся электродвигатель, который восстанавливает начальное положение коромысла)

Область применения:

1)определение содержания влаги в пробе, можно определять как адсорбированную воду и так называемую констиционную воду, т.е. связанную воду.

2)для анализа топлив можно определять количество влаги, количество летучих веществ, содержания углерода и т.д., и даже содержание зон, определение содержания кислорода в оксидных сверхпроводниках. Чем меньше кислорода, тем лучше.

3)для анализа полимерных материалов можно применять такие показатели как:

- относительная стабильность

- фракционный состав

- наличие функциональных групп и т.д.

4)летучие продукты, образующиеся при гравиметрическом методе можно исследовать при помощи фроматографического метода, либо при помощи мат-спектрометрического метода.

Термомеханический метод – метод, в основе которого лежит измерение линейных или объемных размеров объекта в зависимости от температуры. С помощью этого метода можно исследовать структурные изменения. При фазовых переходах меняется коэффициент линейного или объемного расширения и вследствие этого относительное увеличение длины или относительное увеличение объема.

∆V/V= α∙∆T

α – коэффициент объемного или относительного расширения

Термомеханические методы можно разделить на 2 группы:

1)термоделатометрический метод. В этом методе измеряют изменение размеров, как функцию температуры без температуры применения внешней нагрузки или давления.

2)термомеханический анализ – измеряют изменение размеров как функцию температуры при статической нагрузке (например, при давлении).

Методы применяют для исследования различных материалов (это полимерные, керамические и т.д.). Можно проводить контроль производства, самого процесса производства, а также можно выполнять контроль эксплуатационных характеристик различных материалов. Можно определить такие показатели как:

- степень кристалличности

- степень полимеризации

- термостойкость (например, каких-то полимерных материалов)

- температура переходов из одного физического состояния в другое (например, температура плавления и т.д.), если говорить о полимерах, то это температура текучести и т.д.

Для аморфного полимера – 1 график

Для кристаллического полимера – 2 график

I Для аморфного полимера – это область стеклообразного состояния. Для кристаллического полимера – это область кристаллического состояния.

II Область высокоэластического состояния – в обоих случаях.

III Область вязкотекучего состояния полимера. Тс – температура стеклования, Тт – температура текучести, Тпл – температура плавления, Тк – температура кипения. Эти кривые называются термомеханические кривые.

Для измерения используют приборы различных конструкций. Некоторые из них опираются на принцип действия, основанный на измерении деформации или линейных (объемных) размеров объекта в зависимости от температуры.

Термокондуктометрический метод (катарометрический метод) – метод основан на измерении теплопроводности газовых смесей, связанных с их составом. При этом содержание определяемого компонента можно установить легко и просто. Содержание того компонента прямо пропорционально относительному изменению теплопроводности газового потока λ.

γ = К ∙ ∆λ/λ

γ – мольная доля определяемого газового компонента

Теплопроводность газа, содержащего какой-либо компонент в большой степени отличается от теплопроводности чистого газоносителя, т.е. любая примесь любого компонента приведет к изменению этой характеристики. Для измерений используют специальные ячейки или датчики, принципиальная схема которых следующая:

Схема ЧЭ датчика катарометра:

ЧЭ – это на рисунке металлическая спираль. На нее подается постоянное напряжение. Сила тока, протекающая через эту спираль определяется ее сопротивлением, которая зависит от температуры. Температура ЧЭ определяется количеством отводимого от него тепла в единицу времени, т.е. теплопроводностью газа, а значит и составом газовой смеси. Вместо этих металлических сопротивлений можно использовать чувствительные термисторы. Однако, этот метод неизберателен, а потому его можно использовать для исследования бинарных газовых смесей. Причем теплопроводность этих газовых смесей должна различаться. Метод широко применяется для автоматического контроля технических газовых смесей. Пример, экологический контроль. Катарометры являются наиболее употребительными детекторами газовой хроматографии.