Радиостатистический метод экспресс-контроля качества веществ (стр. 7 )

В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскости поляризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Эти дефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самих различных материалах, например, для исследования диэлектрической анизотропии и внутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиоволновые методы нашли широкое применение в геологии. В настоящее время все более значительное место занимает относительно новое направление – задачи контроля (мониторинга) технологических процессов на разрабатываемых месторождениях. При разработке нефтяных месторождений и эксплуатации подземных хранилищ газа существует актуальная задача контроля процесса замещения одного флюида (нефти, газа) другим (водой). Аналогичная задача стоит на урановых месторождениях, разрабатываемых способом скважинного подземного выщелачивания, при котором природные растворы замещаются растворами кислоты. Общим в этих способах разработки является закачка в проницаемые пласты (коллекторы), содержащие полезные компоненты, технологических растворов под определенным давлением. На месторождении создается система закачных и откачных скважин, распределение в пространстве и режим работы которых определяются расчетами на основе фильтрационных характеристик и мощности коллекторов, пластовых давлений, содержания полезного компонента и свойств флюидов (вязкость, плотность).

Хорошими возможностями для решения задач контроля технологических процессов в межскважинном пространстве обладает радиоволновой метод. Физико-геологической основой метода является зависимость интенсивности поглощения энергии радиоволн горными породами, расположенными на трассе распространения волны, от электрических характеристик пород [ 44].

Выводы Анализ источников показал широкое распространение аналитических методов контроля физико-химических свойств и количественного состава веществ и материалов. Из рассмотренных выше методов контроля веществ основное направление представляют собой методы аналитической химии, позволяющие с высокой точностью проводить качественный и количественный анализ веществ. Эти методы исследованы и глубоко проработаны как в теоретическом, так и в практическом направлениях. Средства контроля, реализующие эти методы, представляют собой сложное лабораторное оборудование для работы в стационарных условиях. Масса и габариты оборудования не позволяют использовать его в бытовых условиях и лишают мобильности. Столь внушительные размеры оборудования позволяют получить хорошие метрологические характеристики, однако анализ может занимать длительное время, требует сложных способов взятия проб для исследования и предъявляет высокие требования к подготовке персонала. По завершении контроля проба вещества разрушается и, как результат этого, подлежит утилизации. На всю процедуру контроля вещества оператор затрачивает несколько часов. В настоящее время методы аналитической химии являются точными методами анализа веществ. Они позволяют проводить количественный и качественный анализ веществ. Погрешность количественного определения отдельного компонента вещества в зависимости от цели химического анализа и применяемого метода может составлять от 10–15 % до 0,1–1 %, а при необходимости и до 0,01 %. Современные методы позволяют наиболее точно определять количественный и качественный состав веществ. Например, чувствительность атомно-эмиссионной спектрометрии составляет 10‑7‑10‑8 % от массы исследуемого образца. Методы активационного анализа позволяют определять большинство элементов периодической системы начиная с Na с пределами обнаружения 10-4‑10-12 %. Таким образом, качественный анализ вещества выполняется с достоверностью, стремящейся к 100 %, однако это требует значительных временных затрат. Данные виды анализа не удовлетворяют условию экспрессности. Быстродействие контроля веществ достигается с помощью неразрушающих методов, к числу которых относятся оптические и радиоволновые методы. В их основе лежат такие физические явления, как интерференция, дифракция, поляризация, преломление, отражение, поглощение, рассеяние, дисперсия. Эти методы используются для контроля линейных и угловых размеров изделий, механической чистоты обработки материалов, толщины покрытий материалов, структуры кристаллов и веществ. Известно большое количество приборов, успешно внедренных в практику контроля и дефектоскопию. Это достаточно сложные и дорогие приборы, которые затруднительно использовать в бытовых условиях без обучения и подготовки людей к работе. В данной группе методов существуют отдельные методы контроля физико-химического состояния вещества, но они сводятся к определению какого-либо физического параметра, например, плотности вещества, оптической прозрачности и т. п. Погрешность оптических методов зависит от используемых источников светового излучения и составляет 0,1–0,5 % для фотометров с оптической компенсацией и 0,05 % при использовании лазерного излучения. Погрешности радиоволновых методов очень разнородны, так как в значительной степени зависят от объекта контроля. Так контроль изменений диэлектрических свойств объекта проводится с погрешностью 0,5–3 %, тогда как контроль геометрический параметров объекта (толщина, диаметр) – с погрешностью 3‑10 %. В среднем погрешность данной группы методов лежит в пределах 1‑5%, а время контроля – в пределах от 1 до 5 минут. В изученной нами литературе экспресс-контролю веществ должного внимания не уделяется. Следовательно, необходимо создать инструменты для экспресс-контроля веществ, с которыми сталкивается человек в своей повседневной жизни. Методы, рассмотренные выше, реализованы в стационарных приборах, которые находятся в лаборатория и недоступны людям из-за своей громоздкости, сложности в обращении и дороговизны. И как следствие этого, для построения мобильных инструментов требуется разработать новый метод контроля.
Радиостатистический метод исследования веществ

Из содержания первой главы следует, что для создания мобильных инструментов для экспресс-контроля веществ требуется новый метод контроля, поскольку известные оптический и радиоволновой методы основаны на определении физических переменных (коэффициент преломления, коэффициент поляризации, коэффициенты отражения и рассеяния и др.) При анализе качества вещества целесообразно использовать физические явления более глубокого уровня, а именно взаимодействие молекул вещества с фотонами электромагнитного излучения. Наши рассуждения основаны на следующих положениях.

Физические основы взаимодействия электромагнитного поля с веществом построены на теории статистической математической физики с учетом корпускулярно-волновой теории [ 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54]. Статистическая физика изучает макросистемы, состоящие из большого числа частиц, например, молекул. Внутри молекулы имеются электроны, которые находятся в непрерывном движении с постоянной скоростью по орбитам. Сама молекула может вращаться вокруг оси, проходящей через центр масс. Следовательно, в первом приближении, молекулу можно рассматривать как колебательную систему с некоторой передаточной функцией или функцией прозрачности по терминологии авторов книги [ 55]. Эта функция определяет энергию электромагнитного поля, которая присутствует на выходе колебательной системы. Поскольку молекулы в веществе двигаются хаотично, то макросистема всякий раз случайно меняет свою структуру, т. е. она представляет собой динамическую систему со случайными параметрами и характеристиками. По-видимому, каждое вещество имеет свои вероятностные характеристики при интерпретации его макросистемой. Таким образом, вероятностные характеристики электромагнитного поля на выходе вещества будут зависеть от статистических характеристик колебательной макросистемы. Здесь можно сформулировать гипотезу в следующем виде: вероятностные характеристики сигнала, полученного в результате взаимодействия ЭМП с веществом, однозначно определяют качество вещества. Эта гипотеза позволяет говорить о том, что добавление в вещество другого компонента изменит структуру макросистемы и её вероятностные характеристики. И как результат этого, сразу изменятся вероятностные характеристики сигнала.

Заметим, что вероятностная модель макросистемы предполагает использование сверхвысокочастотного электромагнитного поля светового диапазона частот, поскольку протекающие физические процессы внутри молекул и между ними «быстротечны». Для исключения эффекта привыкания молекул к ЭМП необходимо сделать поле случайным. При этом часть его энергии пойдет на потери, которые связаны с нагреванием вещества, с отражением от поверхности вещества, с индуцированным излучением [ 56]. Потери энергии в данной модели не рассматриваются.

Определение метода

В работе в качестве прототипа выбран радиоволновой метод неразрушающего контроля, который содержит следующие технические приёмы: излучение детерминированного электромагнитного поля, взаимодействие ЭМП с веществом, выделение сигнала в результате завершения одного из физических эффектов, в том числе интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеяния электромагнитных волн, сравнение уровня сигнала со шкалой, которая построена с учетом используемого физического эффекта, например, содержит значения коэффициента поглощения при контроле толщины вещества (материала).

Поскольку нами выбрана вероятностная модель макросистемы (вещества), то необходимо электромагнитное поле сделать случайным, а шкалу построить с учетом значений вероятностных характеристик сигнала, полученного после взаимодействия ЭМП с веществом. Такие отличия технических приемов от приемов радиоволнового метода неразрушающего контроля вызывают необходимость их подчеркнуть с помощью идентификации метода как радиостатистического. 

Радиостатистический метод контроля основан на взаимодействии случайного электромагнитного поля с веществом и определении вероятностных характеристик сигнала (электрического, светового), полученного в процессе взаимодействия. Затем, с помощью шкалы со значениями вероятностных характеристик, построенной с использованием образцов, контролируемое вещество относится к ближайшей категории качества: «хорошее», «удовлетворительное», «фальсификат». Для определения категории по значениям вероятностных характеристик сигнала рассчитывается интегральный показатель качества вещества или степень соответствия совокупных требований к качеству.