CC BY
67
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 г. Выпуск 2 (25). С. 64-78
УДК 536.52, 535.233.43
АПРОБАЦИЯ МЕТОДОВ И ПРИБОРНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПО ДВУХФАЗНОМУ ПОТОКУ ПАРАМЕТРОВ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЧАСТИЦ
В. И. Иордан, А. А. Соловьев Введение
Актуальность технологической задачи в области плазменного и детонационно-газового напыления (ДГН) металлических и композиционных порошковых покрытий на изделия связана с улучшением функциональных характеристик (прочность связи с основой, структура пористости, кристаллическая структура и т. д.), обеспечивающих высокий ресурс их эксплуатации. Такие покрытия производятся с помощью мелкодисперсного порошка частиц металла или их оксидов, распыленных дозатором технологической установки напыления в процессе загрузки порошка, например, в струю плазмотрона или струю ДГН, истекающей из выходного «сопла» установки напыления. Объемная плотность частиц в транспортирующей струе обычно невелика, поэтому такие гетерогенные многофазные потоки называют «запыленными» струями.
При плазменном напылении покрытий в последнее время применяют и комбинированные технологические способы, использующие предварительно активированные механосинтезом и модифицированные наночастицами агломераты частиц (микрокомпозиты). Свойства и функциональные характеристики порошковых покрытий в процессе их формирования во многом определяются параметрами скорости и температуры частиц дисперсной фазы, которые являются распределенными динамическими параметрами двухфазного потока [1], так как в любом поперечном сечении потока (и в целом по всему потоку) частицы характеризуются изменяющимися во времени определенными распределениями по скоростям, температурам, размерам и другим параметрам. Поэтому измерение только лишь одного «осреднен-ного» значения температуры или одного «осредненного» значения скорости частиц в непосредственной близости к напыляемому покрытию не может считаться достаточным, так как на функциональные характеристики покрытия оказывают влияние и все остальные частицы потока с отличающимися значениями температур и скоростей. Следует заметить, что в потоке может и не оказаться частиц с «осредненными» значениями температуры и скорости, например, когда температурное распределение частиц состоит из неперекрывающихся разнесенных между собой двух мод и «осредненное» значение температуры частиц приходится на промежуток между ними. Следовательно, вид распределений и значения их параметров оказывают существенное влияние на функциональные характеристики напыляемых покрытий.
1. Постановка цели и задач исследования
Измерение скорости и температуры дисперсной фазы потока в технологии ДГН затруднено в связи с проявлениями характерных особенностей процессов взрыва и горения. К тому же, при разработке большинства приборов измерения температурно-скоростных параметров высокотемпературных быстропротекающих технологических процессов получения покрытий не всегда учитывается гетерогенность и дисперсность сред, высокая температура, быстротечность и распределенный характер измеряемых параметров [2]. Кроме того, для частиц дисперсной фазы, рассматриваемых как конденсированная фаза потока, в различных сечениях струи характерна определенная степень динамической и тепловой неравновесности фаз двухфазного потока [2].
В связи с этим, необходим комплексный подход, опирающийся на развитие физикоматематических моделей процессов напыления и на разработку методов и аппаратуры для
оперативной диагностики состояния дисперсной и газовой фаз в потоке, а также свойств получаемых покрытий.
Быстродействующие бесконтактные оптико-электронные анемометры позволяют получать данные о динамике сверхскоростных гетерогенных потоков и новых эффектах в дисперснофазных средах, характеризующихся появлением локальной самоорганизации и стра-тирования потока в виде метастабильных кластеров. Среди методов измерения скорости двухфазных потоков или их компонентов следует выделить: лазерно-доплеровскую анемометрию (ЛДА), интегральные и дискретные время-пролетные методы, а также быстроразви-вающиеся в последнее время стробоскопические «трековые» методы измерения скорости потока частиц с помощью быстродействующих оптических затворов и телевизионных CCD-матриц высокого разрешения.
Методы ЛДА позволяют определять локальные скорости в различных локальных участках фиксированного поперечного сечения потока, однако такой способ накопления статистики по скорости происходит в различные моменты времени быстропротекающего процесса. Поэтому в фиксированном поперечном сечении потока гистограмма распределения скоростей частиц, определяемая традиционным методом накопления статистики по отдельным частицам, пересекающим это сечение в различные моменты времени (соответствующим различным пространственно-временным состояниям), может не соответствовать истинному распределению скоростей частиц (поток может быть не полностью стационарным и эргодическим).
В настоящее время узкозонным полупроводниковым приемникам ( X = 8...14 мкм), основанным на генерации светом носителей заряда по механизму «зона-зона» присущ ряд недостатков: высокий уровень шумов, вызывающий необходимость их глубокого охлаждения, трудность в организации режима накопления, низкие воспроизводимость и надежность, низкая стойкость к радиации и воздействию внешней среды. Перспективны для устранения указанных недостатков широкозонные пироэлектрические приемники ИК-излучения (X = 1 ...15 мкм). К тому же, регистрировать собственное излучение слабонагретых объектов и наблюдать малые перепады температуры на их поверхности не позволяют ни специальные фото-чувствительные материалы, ни телевизионные трубки с полупроводниковой мишенью. Наибольшей эффективностью обладают оптико-электронные системы измерения скорости и температуры, в том числе системы на основе пироэлектрических детекторов, которые обладают потенциально высокими эксплуатационными характеристиками.
В области методов спектральной пирометрии как наиболее перспективных в настоящее время при измерении температуры практически не учитывается распределенный характер данного параметра, определение которого связано с решением традиционно сложной «обратной» задачи.
Дальнейшее развитие технологий в области микро- и наноэлектроники по созданию наногетероструктур, а именно, по созданию фотоприёмников на эпитаксиальных гетероструктурах с квантовыми ямами и фотоприёмников на квантовых точках, расширяет на новом качественно более высоком уровне возможности схемотехники СБИС для разработки и реализации новых регистрирующих приборов и устройств. Например, твердотельные полихрома-торы, в том числе в виде наноразмерных покрытий прямо на поверхности чувствительного элемента фотоматрицы, позволяют почти на три порядка увеличить мощность оптического сигнала, регистрируемого датчиком, за счет отсутствия входных апертурных щелей, а заодно и самого монохроматора. Тем самым, оптико-электронные и тепловизионные микропроцессорные измерительные системы расширяют возможности исследования быстропротекающих гетерогенных процессов в области экспериментальной физики и промышленных технологий.
Целью данной работы является апробация разработанных авторами методов и автоматизированных приборных комплексов, предназначенных для измерений скорости и температуры частиц как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий, и использование которых позволяет оптимизировать технологии напыления порошковых покрытий с улучшенными функциональными характеристиками.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
• исследование методов измерения скорости и температуры частиц как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий;
• апробация программно-аппаратных комплексов, предназначенных для измерения распределенных по двухфазному потоку параметров скорости и температуры частиц в быс-тропротекающих процессах напыления порошковых покрытий, а также устройств калибровки и методик их тестирования.
2. Физико-математическое обоснование методов измерения распределенных по двухфазному потоку параметров скорости и температуры частиц
2.1. Метод измерения распределенного по двухфазному потоку параметра скорости частиц с использованием пироэлектрического детектора
Принцип и структурная оптическая схема измерений, используемая в излагаемом ниже методе измерения распределенного по двухфазному потоку параметра скорости частиц, обоснованы и изложены в работе [3]. Приведем краткое изложение обоснования данного метода с учетом новых методических уточнений и усовершенствований [4] по отношению к изложенному в [3].
Основной физической моделью, лежащей в основе интегральных время-пролетных методов измерения скорости и обоснованной в [3], является представление движения двухфазного потока в виде движения двух взаимопроникающих континуумов газовой фазы и «псевдогаза» частиц конденсированной фазы, для которой справедливо уравнение непрерывности
— + ёг\(п ■ V ) = 0, (1)
дt
где п = N(^)/ V - концентрация частиц в малом измерительном объеме V = А/ ■£, в котором в момент времени I находится N(I) частиц; £ - площадь поперечного сечения потока, А/ -толщина измерительного объема в направлении движения потока, V - скорость потока «псевдогаза» частиц.
Характеристиками потока являются: ц(^, х) = (ёп / Ж) ■ V = АN / Аt - интенсивность потока частиц, пересекающих поперечное сечение измерительного объема V, т. е. число частиц в единицу времени; р^) = (ёп / ёх) ■ V = АN / А/ - «погонная» плотность частиц (приведенная к толщине измерительного объема), т. е. число частиц, приходящихся на единицу длины. Тогда уравнение непрерывности (1) в одномерном виде и в предположении того, что частицы в
слое с координатой центра слоя х и толщиной А/ имеют одинаковую (осредненную) ско-
рость, записывается в виде:
ц0, х) = -р ■ V . (2)
Скорость потока определяется отношением числа частиц, пролетающих измерительное сечение в единицу времени, к числу частиц, приходящихся на единицу длины потока (в модулях величин, без знака)
V = Ц / Р. (3)
Методика измерения скорости частиц двухфазного потока заключается в последовательном выделении оптическими средствами одинаковых порций частиц теплового потока, описываемых как континуумы, и измерении времени пролета каждым континуумом известного базового расстояния, задаваемого несколькими фотоприемниками [3]. Интенсивность потока частиц определяется по интенсивности светового излучения, а плотность потока частиц - по разности интенсивностей входящего и выходящего потока частиц в сечениях, задающих базовое расстояние пролета Ь (рис. 1).
тт
Ч.
тт
д/ д/
\-
‘1
Рисунок 1. Оптическая схема измерения распределенного параметра скорости частиц двухфазного потока: 1 - импульсный плазменный поток;
2, 3 - соседние /-ый и (/ +1) - ый датчики; 4 - частицы порошка; 5 - основа; 6 - покрытие
Количество частиц в /-ом сечении в момент времени ? может быть найдено как произведение погонной плотности рпог на этом участке на ширину сечения А/, т. е. Ni (?) = рг. (?) -А/.
Ширина сечения А/ определяется телесным углом, в котором фотоприемник способен регистрировать излучение, и расстоянием до оси двухфазного потока. Средняя погонная плотность частиц определяется как отношение разности числа частиц Nвх/ (?), вошедших в зону
анализа длиной Ь через /-ое сечение в течение всего промежутка времени ?, и числа частиц N^1+1(?), вышедших из нее через (/ +1) - ое сечение в течение того же промежутка времени
і, к расстоянию Ь между ними:
(рО )) =
N.,, ,(і ) - N.,, ,„,(і) ))
(4)
Ь Ь
Учитывая в уравнении непрерывности (2) переход к дифференциалам плотности и интенсивности, справедливо следующее уравнение:
Л (Рпог 0)) =-Л (р О))
& Лх
Тогда из (5) изменение средней интенсивности Л (р(?)) на участке длиной Ь за время выборки Агкв будет равно (без учета знака):
Ь
(5)
Л (^(і)) = Л (рпог (і)>
Лі...
а с учетом (4) выражение (6) запишется следующим образом:
Л (ц(і )) = Л
(ЛА,,М(<))^ Ь = ЛА,,„,(<))
Ь
Лі..
Лі..
(6)
(7)
Для используемых пироэлектрических приемников излучения (ППИ) их выходное напряжение пропорционально энергии Е0(Т) - £0 - N(?) потока излучения, падающего на поверхность ППИ и формируемого за единицу времени суммарным количеством частиц N (?) в измерительном объеме толщиной А/, т. е. и (?) = К0 - Е0(Т) - N (?). Здесь £0 - среднее значение площади поверхности излучения одной частицы с потоком Е0(Т) = оТ4. Т. е. величины
N. (?) = иг (?) / (Ко - Ео (Т)) и N+1 (?) = иг+1 (?) / (Ко - Ео (Т)) (8)
определяют количества частиц, находящихся в течение единицы времени в /-ом и (/ +1) - ом сечениях. К моменту времени ? количества частиц, вошедших через /-ое сечение в зону анализа потока и вышедших из нее через (/ +1) - ое сечение, определяются интегрированием по всему временному отрезку
Мх. (') = ]и- (Т)А • #.ых, ,Л») = К-^Т: •} и,+, (т)А, (9)
К0 Е0(Т) 0 К0 Е0(Т) 0
где и, (г) и и,+1 (г) - сигналы напряжений, снимаемые с /-го и (/ +1) - го приемников, соответственно. На основе (4), (7) и (9) верно
^('^=^^;;ет!Аи'^*'(т)"т' (10)
Выражая (3) с учетом (4) и (10):
- { Щ,/+1(т)^т
1 п
V (Г) = --------------------ГГ-. (11)
Д' Д/га К0 Е„(Т) ((длт. +,(< ))Л ' '
ь
С учетом (4) и пренебрегая изменением погонной плотности рпог между ,-ым и (/ +1) -ым сечениями (малое пролетное расстояние) можно записать:
(р. С)> * в» УДт “ в» ^ “ в» = в» , С2)
' ' Ь Д1 Д1 2 -Д/ Д/
что позволяет произвести замену в знаменателе выражения (11), т. е. величину ДУ,,+1 (г) / Ь заменить на в0(г) / Д/, либо на среднюю по двум сечениям величину
в0у, ,ср (г) / Д/ - в0 (N (г) + N+1 (г)) / (2 Д/).
В работе [3] в расчетной формуле, аналогичной формуле (12), отсутствовал размерный параметр в 0, и не применялось осреднение погонной плотности рпог по значениям локальных плотностей в двух измерительных сечениях. Напротив, учет в (12) параметра в 0 и применение осреднения локальных плотностей потока является методическим уточнением (исправлением) и усовершенствованием предложенного в [3] метода. Суть уточнений состоит в следующем.
Во-первых, в выражении (12) параметр в 0, имеющий размерность времени, обеспечивает согласование связи «локальной» плотности с погонной плотностью. А именно, сигнал У, (г) имеет обратную ко времени размерность (так как согласно (8) сигнал определяет количество частиц, находящихся в течение единицы времени в ,-ом сечении), а осредненная величина ^ДУ,.,+1(/)^ = Увх, , (г) - Увых ,,.+1(/) не имеет размерности, так как согласно (4) определяется разностью числа частиц , (г), вошедших в зону анализа длиной Ь через ,-ое сечение в течение всего промежутка времени г, и числа частиц УвЬ1хМ(г), вышедших из нее через (, +1) - ое сечение в течение того же промежутка времени.
Во-вторых, параметр в 0 введен в (12) с целью калибровки фотоприемников и всей измерительной схемы приборного комплекса, так как ширина сечения Д/, определяемая телесным углом, в котором фотоприемник способен регистрировать излучение, для каждого фотоприемника может различаться, и в расчетной формуле необходимо учитывать влияние на оценку скорости расстояния до оси двухфазного потока. Учитывая зависимость и ппИ (г) = К 0 - Е0(Т) - N (г) и обозначение и, ср (г) = (и, (г) + и,+1 (г)) / 2, распределение скорости
частиц, пролетающих ,-ое сечение потока, как функцию от времени можно оценивать двумя выражениями ( у 0 = 1/в 0)
J Щ, i+1(T)dT
V,. (t ) = у0---------0------------- (13)
AtKB U (t) V '
t
м
JAUM+1(T)dT
или V (Г) = у0----- ------------------------------------------------. (14)
г 0 м и. (Г)
кв г, ср \ /
Необходимо отметить, что с точки зрения методологической, скорость, осредняемая на «пролетной» базе £ между двумя сечениями, должна приниматься постоянной на этой пролетной базе Ь. Поэтому оценка скорости (14) по отношению к (13) должна считаться более достоверной, что и подтверждают эксперименты (рис. 8, б, в).
С учетом (14) получена оценка относительной погрешности метода в виде
8„ = ^/в2 + 8^ + в4 + , (15)
Ау0 А( А1) А( Агкв) АЦ А( миг,г+1 X, Аг
где 8, =—— , 82 = —-----, 83 = —-----— , 84 =-- , в5 =--, 86 =-.
1 У о А1 3 А^кв Ц 5 (АЦ,,1)с/ 6 Г
2.2. Метод измерения распределенного по двухфазному потоку параметра температуры
частиц
Метод измерения температуры частиц как распределенного параметра импульсного двухфазного потока опирается на модель интегрального теплового спектра частиц в виде уравнения Фредгольма 1-го рода с неизвестной функцией плотности температурного распределения [5]. Краткое обоснование модели интегрального теплового спектра состоит в следующем.
Допущения о низкой концентрации частиц в «запыленной» струе [2], однородных по размеру и находящихся в изотермическом состоянии с неизменной температурой за время прохождения частицей зоны регистрации, позволяют для каждой частицы как «серого» тела использовать модель излучательной способности частицы
г (X, T ) = в(Х, T) -ФСК, T), (14)
где в(Х, T) - поглощательная способность (коэффициент излучения) или относительная из-лучательная способность частицы, ф(Х, T) - функция Планка.
Выходной сигнал B(X) линейного многоэлементного фотоприемника, установленного в фокальной плоскости спектрального регистратора, пропорционален суммарному тепловому спектру G (X) частиц, прошедших зону регистрации, и определяет «измерительное уравнение»
B(X) = y(X ) - G(X), (15)
в котором интегральный спектр частиц определяется следующим образом
T
ю max
G(X) = J R(X, T) - X(T)dT= J R(X, T) - X(T)dT, (16)
—ю
T • mm
где X (T) — искомая функция плотности температурного распределения частиц порошка дисперснофазной струи. Выражения (15) и (16), с учетом использования спектрального прибора с высокой разрешающей способностью, позволяют записать «измерительное уравнение» в виде
T T
Jmax Jmax
B(X) = y(X) J г(X, T)X(T)dT = J A(X, T) - X(T)dT. (17)
T ■ T ■
mm mm
где функция Л(Х, Т) = у(Х) • г(X, Т) = у(Х) • ^(Х, Т) • ^(Х, Т), а интегральный тепловой спектр частиц можно записать в виде
-‘шах
О(X) = В(Х)/у(Х) = | є(Х, Т) -^(Х, Т) • X(Т)йТ.
(18)
Обращение интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода (17) и (18) определяет искомую функцию плотности температурного распределения частиц. Задача обращения уравнений оказывается «некорректной» и требует применения методов «регуляризации» решения.
На основе измерительного уравнения (17) реализован подход редукции функции плотности температурного распределения частиц в ее гистограмму |X]; і = 1,2,....,п| - производится замена гладкой функции плотности распределения на ступенчатую функцию. Кроме того, для ядра интегрального оператора А(Х, Т) используется разложение функции Планка в ряд
по «виновским» спектрам ш(X,Ті) = С1Х-5е-С2/ХТі фиксированного набора температур Ті = Т / і . Производя замену под интегралом в уравнении (17) ядра А(Х, Т) и функции плотности X (Т) на их приближения, аналитическим способом удается получить выражение для регистрируемого интегрального теплового спектра частиц [5]
в (X) = -^(Х) - СХ 5-Е
С
і=1
Ґ С2 \
1 П хт (
-Е у і •е і,
і і=0
X п ( 1 /V Л
= ^(Х) -Е у і-е1 • ®(х,ту.,г)
С2 у=0 І і=1 і
(19)
где
Ус =“71 •Pl,
уу = • ру -гі+1 • р^ і = 1,2,...,п-1;
"і+1 у і+1
(20)
ХТі
ХТ,
Тиі = Т, /і, 7, = X, • є 2 (Т,), в, = Т,2.
с учетом е
Таким образом, регистрируемый тепловой спектр частиц оказывается пропорционален разложению по «виновским» спектрам ю(X, ТУ,), среди которых доминирующим является
компонент ю( X, Тп1) с максимальной температурой Тп1 = Ттах . Значения температур Ту - центры у-ых участков разбиения диапазона [Ттт, Ттах ] с узловыми точками Т у; Ту - осредненная
по «псевдослучайным» значениям температура в каждом у-ом участке разбиения.
Для вычислений коэффициентов У у по спектру В(Х) более удобным, чем выражение
(19), является линейное разложение по системе функций у . (Х,Т,)
В(Х) =Е У і • Vі (Х,Т]),
і=0
X
1
V і (X ,Ті)=—^( X) • е - • Ш(Х,ТУ ,і)
С1Х
-4
х 2 і =1 і 2
Зарегистрированные с помощью откалиброванного дискретного фотоприемника спектральные отсчеты {В(Хк); к = 1,2,..., К} и матрица рассчитанных коэффициентов
{| К;||;к = и— К;і = 0,1 2,....,п>, где Vк і = Vі(Xк,Ті), используются в качестве входных данных для процедуры метода «наименьших квадратов», позволяющей аппроксимировать
С2
-«Х) • Е1 Є
і=1 і
ХТі
(21)
(22)
Т
искомые коэффициенты разложения у у.. Искажения коэффициентов у у., главным образом,
определяются остаточными «искажениями» после коррекции и фильтрации отсчетов {В(Хк);к = 1,2,...,К}, которые в процессе решения системы (20) влияют на точность вычисления компонентов 2у. Некоторые относительно малые по значению компоненты 2могут
быть отрицательными по знаку, что не соответствует их физическому смыслу. Для регуляризации решения обратной задачи применяется алгоритм «многоцикловых встречных прогонок» с последовательным уменьшением «невязки» на крайних элементах 20 и 2п+1, который
является «адаптацией» известного метода «:встречных прогонок». С учетом (19) «прямая» и «обратная» прогонки имеют вид [5]
2- = 1Г2'"вТ, у =0Д2-.-п; (23)
Ру+1 РУ+1
= рР+1+1 + РТ, У = п,п-1,п-2,..,1,0 . (24)
РУ Р У
«Физически корректный» набор вычисленных коэффициентов |2у.;у = 1,2,....,п| позволяет вычислить «физически корректный» набор коэффициентов температурной гистограммы |Ху = 2у /в2(Ту);у = 1,2,....,п}. Получены оценки погрешностей на параметры температурно-
п
го распределения: на выборочное среднее Тср = ^ Ру • Ту и на оценку выборочной дисперсии
у=1
п
ВТ =^ Ру • (Ту. - Тср)2 как полудлины соответствующих доверительных интервалов:
у=1
А(Тср) = 1пРд • ВТ / 4п и А(В2) = (п -1)$Т / Х2прд с учетом критических значений г - распреде-
ления и х2 - распределения; вероятности Ру рассчитываются посредством нормировки компонентов гистограммы Х у .
3. Описание программно-аппаратных измерительных комплексов
Рассмотрим принципы работы программно-аппаратных измерительных комплексов, позволяющих в процессах напыления покрытий измерять распределенные по импульсному двухфазному потоку параметры скорости и температуры частиц в различных его пространственных сечениях, тем самым обеспечивать возможность исследования волновой динамики и технологических режимов установок по напылению покрытий.
Структурная схема аппаратной части программно-аппаратного комплекса для измерения распределенного по импульсному двухфазному потоку параметра скорости частиц представлена на рис. 2. Инфракрасное излучение от объекта попадает на фотоприемник (ФП), преобразующий оптический сигнал в напряжение или ток. С выхода ФП сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) через схему согласования (СС), в которой происходит аналоговое шумоподавление и линейное масштабирование сигнала, чтобы максимально использовать динамический диапазон АЦП.
Канал 1
ФП сс -
Канал 2
ФП сс -
Канал N
ФП сс -
л Ч71 МК
Л
АЦП КИВВ гН ПК
ИОН
Рисунок 2. Структурная схема многоканальной системы регистрации теплового излучения двухфазных потоков и компьютерной обработки
Внешний высокостабильный источник опорного напряжения (ИОН), необходим для того, чтобы обеспечить максимальную точность аналого-цифрового преобразования.
Микроконтроллер (МК) считывает данные с АЦП, производит их первичную обработку и передает их в персональный компьютер (ПК) через интерфейс И8Б. Первичная обработка заключается в нормировке отсчетов сигнала согласно калибровочной таблице, хранимой в ПЗУ МК. Затем производится фильтрация сигнала от шумов, а необходимые параметры загружаются в МК из ПК при инициализации. Вместе с отсчетами оцифрованных сигналов передаются и метки синхронизации для каждого канала.
{ \
Интерфейс
пользователя
Модуль
вычисления | Демодулятор |<3=*>
скорости
иэв
Рисунок 3. Структурная схема программного обеспечения (ПО) программно-аппаратного комплекса для измерения распределенного по импульсному двухфазному потоку параметра скорости частиц
Взаимодействие между ПК и «аппаратным обеспечением» системы регистрации теплового излучения происходит через специальный драйвер (рис. 3), который предоставляет удобный программный интерфейс для остальных компонентов программного обеспечения: считывание результатов измерений, конфигурирование и настройка системы, а также и ее калибровка.
Структурная схема аппаратной части программно-аппаратного комплекса для измерения распределенного по двухфазному потоку параметра температуры частиц представлена на рис. 4. Световой поток от плазменной струи фокусируется на входной щели спектрального дисперсионного устройства, которое разлагает входное излучение в непрерывный спектр.
Рисунок 4. Структурная схема комплекса спектральной диагностики температуры частиц в потоке: ..., X.,..., Xх - длины волн входного излучения
В фокальной плоскости дисперсионного устройства установлен многоэлементный линейный фотоприемник, в качестве которого используется ПЗС или фотодиодная линейка. Управление временем накопления, тактовой частотой опроса фотоприемника и преобразование видеосигнала в цифровую форму для ввода в компьютер осуществляется измерительным модулем.
Как видно из структурной схемы, представленной на рис. 5, ПО для восстановления температурных распределений состоит из одного основного и нескольких вспомогательных модулей. Под основным модулем понимается модуль восстановления температурных распределений, в котором происходит решение обратной задачи по методике, изложенной в п. 2.2 настоящей статьи.
Отсчеты зарегистрированного теплового спектра нормируются с учетом калибровочных коэффициентов. Затем выполняется вычитание фонового спектра плазменной струи (не загруженной порошком частиц), регистрируемого перед началом измерений, обновляемого в процессе работы системы для учета нестационарности характеристик устройства напыления.
Рисунок 5. Структурная схема ПО для восстановления температурных распределений
Для тестирования основного модуля реализован генератор тестовых спектров, который имеет в своем составе генератор температурных распределений. Эти два модуля позволяют по заданным параметрам температурного распределения получить его спектр. Для тестирования доступны одно- и двухмодовые распределения температуры. Разновидности мод включают в себя: треугольное, нормальное и дельта-распределения с учетом «зашумления» спектра.
4. Апробация программно-аппаратных комплексов для измерения распределенных по двухфазному потоку параметров скорости и температуры частиц
Для тестирования и калибровки автоматизированных комплексов по измерению распределенных по двухфазному потоку параметров скорости и температуры частиц были созданы комплексы по имитационному моделированию движения фронта импульсного двухфазного потока частиц и имитационному моделированию суммарного излучения потока частиц в его определенном сечении [6].
В состав имитатора движущегося фронта быстропротекающего импульсного двухфазного потока частиц входят (рис. 6, а): а) аппаратное обеспечение (1) по управлению процессом последовательного зажигания и гашения миниатюрных ламп накаливания; б) линейка (4) миниатюрных ламп накаливания; в) ПЭВМ (3). Сигналы с линейки фотоприемников (5), регистрирующей движущийся фронт теплового излучения, передаются в многоканальную измерительную систему (2), которая передает в ПЭВМ (3) измерительную информацию в цифровом представлении для программной обработки и определения скорости движущегося фронта теплового излучения, имитирующего движение частиц импульсного двухфазного потока (рис. 6, а).
а)
б)
в)
Рисунок 6. Структурные схемы: а) схема комплекса для тестирования автоматизированного комплекса по измерению скорости частиц двухфазного потока; б) схема комплекса для тестирования автоматизированного комплекса по измерению температуры частиц двухфазного потока; в) схема излучателя
В состав имитатора теплового излучения неоднородно нагретых частиц двухфазного потока для тестирования комплекса по измерению температуры частиц с определенным температурным распределением входят (рис. 6, б): а) аппаратное обеспечение (8) по управлению значениями токов в различных группах сверхминиатюрных лампочек накаливания, задающих тестовую температурную гистограмму распределения; б) излучатель (1) с 9-ю группами миниатюрных ламп накаливания; в) ПЭВМ (7).
От излучателя (1), управляемого аппаратным обеспечением (8), тепловое излучение фокусируется линзой (2) на входную щель спектрального прибора (3). В плоскости линейного фотоприемника (5) фокусируется непрерывный спектр излучения. Поворачивая диспергирующую призму прибора с помощью барабана (4), можно добиться оптимального проецирования теплового спектра на фотоприемник (5). В блоке «выделения и обработки сигнала» (6) происходит регистрация сигнала спектра и окончательная обработка в ПЭВМ (7). Конкретный вид и значения параметров тестовой температурной гистограммы, определяющей соответствующее тепловое излучение излучателя (1), задается специально разработанной прикладной программой.
Для питания эталонного источника теплового излучения, такого как ТРУ 1100-2350, необходим высокостабильный регулируемый источник тока, чтобы достигнуть максимальной точности при калибровке измерительных приборов. Для гарантирования минимальной погрешности на температуру эталона, указанной в паспорте лампы, требуется точность стабилизации не менее 99,95 % (нестабильность не более 0,05 %). Для решения указанной задачи предложен и реализован высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока, структурная схема которого представлена на рис. 7.
Рисунок 7. Схема стабилизатора тока для питания температурного эталона
Методика калибровки программно-аппаратного комплекса для измерения распределенного по двухфазному потоку параметра скорости частиц заключается в определении калибровочного коэффициента у 0 в выражениях (13) и (14), в нормировке времени релаксации для
каждого пироэлектрического приемника излучения (ППИ) в измерительной системе, а также в настройке системы «автоматического регулирования усиления (АРУ)» в случае ее приме-
нения в измерительной системе. Проведен анализ результатов (рис. 8), полученных при тестировании комплекса по измерению скорости потока на имитаторе быстропротекающего импульсного двухфазного потока частиц. На рис. 8,а приведены графики сигналов, зарегистрированные двумя каналами пироэлектрического детектора с базовым расстоянием между фотоприемниками 5 см. Относительное отклонение от тестового значения скорости 50 м/с в рабочем временном диапазоне (от 4 до 16 мс) оказалось меньше при расчете по формуле (14) и составило величину порядка 5 %, так как в этой формуле используется сигнал, осреднен-ный по сигналам с двух датчиков (по двум сечениям на пролетной базе /,).
---- канал 1 ---канал 2
60
50
2
.о
Ъ 30
б) I ° 20
10
0 -И--------------1---------------1--------------1--------------1----------------1—
О 3,3 6,6 9,9 13,2 16,5
Время, мс
Время, мс
Рисунок 8. Графики измерений и вычислений результатов: а) графики измеренных сигналов фотоприемников в двух соседних сечениях для измерения скорости объекта с тестовым значением 50 м/с;
б) расчетное распределение скорости во времени, полученное по формуле (13) для тестового случая;
в) расчетное распределение скорости во времени, полученное по формуле (14) для тестового случая
Калибровка автоматизированного комплекса по измерению температуры частиц двухфазного потока состоит из 3 основных этапов: фокусировка измерительной системы интегрального теплового спектра и привязка номеров ячеек фотоприемника к шкале длин волн, калибровка чувствительности ячеек фотоприемника и получение коэффициентов аппаратной функции искажений (функции у(Х)), регистрация фонового спектра излучения плазменной струи непосредственно в технологическом процессе.
Привязка номеров ячеек фотоприемника к шкале длин волн производилась по линейчатому спектру (рис. 9,а) ртутно-кадмиевой лампы СМРК-2, в результате чего получена зависимость длины волны от номеров ячеек
X = 426,28 + 0,02176 • N + 2,81 -10~5 • N2 - 5,4 •Ю-11 • N3. (25)
Как видно из зависимости (25), поворотом барабана монохроматора обеспечено проецирование на линейный фотоприемник той части спектра (от 426,3 нм до 1 нм), на которую приходится «основной» диапазон чувствительности фотоприемника.
На рис. 9, б приведен пример калибровки чувствительности ячеек линейного ПЗС-фотоприемника.
а)
б)
Рисунок 9. Графики спектров: а) линейчатый спектр лампы СМРК-2; б) тепловой спектр эталонной температурной лампы ТРУ 1100-2350 для температуры 1751 К (1 - зарегистрированный спектр, 2 - расчетный спектр по функции Планка)
Моделирование с помощью программного комплекса, позволяющего генерировать расчетные тепловые спектры для тестовых распределений (пример нормального распределения на рис. 10), определило пороговое значение «уровня шума» (отношение амплитуды шума к амплитуде сигнала спектра) со значением 0,001 (отношение «сигнал/шум» равно 60 дБ), выше которого результат восстановления температурной гистограммы физически не корректен (рис. 10,г). Возможности аппаратной регистрации перекрывают пороговое значение 60 дБ на 12 дБ (значение «сигнал/шум» регистратора 72 дБ). Следует отметить, что при восстановлении гистограмм на этапе моделирования не использовалась «регуляризация многоцикловыми встречными прогонками».
в) г)
Рисунок 10. Функция «нормального» температурного распределения и результаты ее восстановления в виде гистограмм: а) тестовая функция плотности; б) восстановленная гистограмма для «уровня шума» 5 • 10-4; в) восстановленная гистограмма для «уровня шума» 103; г) физически некорректно восстановленная гистограмма для «уровня шума» 3 • 103
На рис. 11 приведен пример тестирования метода измерения температуры частиц как распределенного по двухфазному потоку параметра с помощью имитатора, для которого было задано тестовое нормальное распределение (рис. 11,а) и получено адекватное восстановленное распределение с погрешностями на параметры «выборочного среднего» и «выборочной дисперсии» порядка 6 %.
Р, о.е.
0,40,30,20,1 -0
1119 1429
1692 Т, К
2007 2296
Р, о.е. 0,2 0,15 0,1 -0,05 -0
-0,05 J
-гГГП МГГгъ
0
О
О
0
(О
(О
Т, К
0
а>
а>
0
2
о
2
а)
б)
Рисунок 11. Результаты тестирования с использованием имитатора температурных распределений: а) тестовое распределение; б) восстановленное распределение
Кроме того, апробация методов измерения распределенных параметров температуры и скорости частиц проведена с помощью данных по тепловым спектрам и интенсивностям в двух сечениях струи ДГН, по которым были определены экспериментальные распределения частиц по скоростям и температурам в двухфазном потоке струи ДГН [4,5].
Выводы и основные результаты исследования
1. Уточнен и усовершенствован метод измерения скорости частиц как распределенного параметра двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий с использованием многоканального широкозонного пироэлектрического детектора (X = 1...15мкм), обеспечивающего с высокой эффективностью учет в выходном сигнале вклада излучения от «низкотемпературных» частиц, тем самым способного измерять с большей достоверностью, чем фотодиодные и ПЗС-фотоприемники, концентрацию неоднородно нагретых частиц в измерительном объеме.
2. Разработан и протестирован метод измерения температуры частиц как распределенного параметра двухфазного потока посредством «обращения» их интегрального теплового спектра в виде разложения по «виновским» спектрам. Процедура метода по восстановлению
гистограммы температурного распределения частиц характеризуется численной устойчивостью благодаря применению «многоцикловых встречных» прогонок к системе рекуррентных уравнений, содержащей неизвестные компоненты температурной гистограммы.
3. Созданы и прошли апробацию автоматизированные комплексы для измерения скорости и температуры как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекаю-щих процессах напыления порошковых покрытий. Комплексы на основе измеряемых параметров скорости и температуры частиц позволяют исследовать волновую динамику двухфазного потока частиц в различных его пространственных сечениях при напылении покрытий, визуализировать результаты исследования в ходе процесса напыления, способствуя тем самым эффективному решению технологической задачи получения покрытий с заданными функциональными характеристиками.
4. Разработан способ высокоточной стабилизации выходного тока импульсного стабилизатора с цифровым адаптивным ШИМ-регулированием, обеспечивающий прецизионное управление температурой эталона «абсолютно черного тела» для калибровки регистратора теплового спектра потока частиц.
5. Разработаны устройства - имитаторы для тестирования методов измерения скорости и температуры частиц, подтверждающие их достоверность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галимзянов, Ф. Г. Теория внутреннего турбулентного движения: монография [Текст] / Ф. Г. Галимзянов, Р. Ф. Галимзянов ; под ред. проф. Ф. Г. Галимзянова. - Уфа : Эксперт, 1999. - 352 с.
2. Жуков, М. Ф. Высокотемпературные запыленные струи в процессе обработки порошковых материалов: монография [Текст] / М. Ф. Жуков, О. П. Солоненко ; под ред. акад. В. Е. Накорякова. - Новосибирск : ин-т Теплофизики, 1990. - 516 с.
3. Гуляев, П. Ю. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев, А. А. Соловьев // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008. - Т. 51. - №9/3. - С. 79-87.
4. Соловьев, А. А. Измерение скорости волнового фронта быстропротекающих процессов многоканальным пироэлектрическим детектором [Текст] / А. А. Соловьев, В. И. Иордан // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. - 2009. -№ 4(88). - С. 158-167.
5. Гуляев, П. Ю. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев, А. А. Соловьев // Известия высших учебных заведений. Физика, 2008. - Т. 51. - № 9/3. - С. 69-76.
6. Иордан, В. И. Оптико-электронные методы тестирования систем измерения температурно-скоростных параметров частиц при плазменном напылении порошковых покрытий [Текст] / В. И. Иордан, А. А. Соловьев // Известия Алтайского государственного университета. Сер. Физика. - 2010. - № 1/2(65). - С. 168-171.
