CC BY
46
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
2. Конструкция летательных аппаратов / К.Д. Тур-кин и др. Ч. II. Взлетно-посадочные устройства, колебания и системы. М. : ВВИА, 1985. 245 с.
3. Кочетков Ю.А. Основы автоматики авиационного оборудования. М. : ВВИА, 1995. 574 с.
4. Система контроля прочностных свойств крыла ЛА : заявка № 2007134759/17 (037977) Рос. Федерация ; заявл. 18.09. 2007.
5. Тихий И.И., Кашковский В.В. Статистические методы обработки результатов испытаний АО. Иркутск : ИВАИИ, 2004. 222 с.
6. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т. II. Изд. 12. М. : Наука, 1978. 576 с.
7. Капелини В., Константинидис А., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение : пер. с англ. М. : Энергоатомиздат, 1983. 360 с.
8. Кашковский В.В. Учебно-исследовательский программный комплекс для проведения лабораторных работ по дисциплине «Статистические методы обработки результатов испытаний авиационного оборудования», подготовки адъюнктов и выполнения научных исследований [Электронный ресурс]. электр. текст., граф. и прикладная программа. Иркутск : ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (CD ROM) 39,7 Мбайт.
УДК 536.532; 621.78.012 Филиппенко Николай Григорьевич,
к. т. н., доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89025121754, e-mail:pentagon@mail.ru Буторин Денис Витальевич, аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89041203901, e-mail: den_butorin@mail.ru Лившиц Александр Валерьевич, д. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89501378441, e-mail: livnet@list.ru Попов Максим Сергеевич, аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89025773303, e-mail:popovs@irgups.ru Гозбенко Валерий Ерофеевич, д. т. н., профессор,
Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. (3952) 638357, e-mail: vgozbenko@yandex.ru
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ
N. G. Filippenko, D. V. Butorin, A. V. Livshits, M. S. Popov, V. E. Gozbenko
WAY OF DIRECT MEASUREMENT OF TEMPERATURE OF POLYMERIC MATERIAL AT HIGH-FREQUENCY ELECTRO THERMAL HEATING
Аннотация. Последние десятилетия характеризуются ростом производства полимерных конструкционных материалов и использованием изделий из них во всех отраслях промышленности. Несмотря на декларированные свойства полимеров, их механические показатели меняются в процессе их изготовления, транспортировки, обработки и эксплуатации. Поэтому одним из важнейших аспектов повышения качества и эффективности обработки полимерных материалов является создание методик и приспособлений для контроля параметров технологических процессов обработки.
Целью данной работы была разработка принципа измерения температуры в зоне ВЧ- и СВЧ-воздействия и совершенствование имеющихся устройств измерения температуры диэлектрического нагрева обрабатываемых полимеров. В ходе работы был проведен литературный обзор по вопросу измерения температуры в зоне нагрева токами высокой частоты, который показал, что универсальных методик измерения температуры в зоне ВЧ- и СВЧ-воздействия найдено не было. Поэтому, авторами была разработана методика определения температуры полимерных материалов при электротермической обработке и экспериментальная установка для ее реализации. Также была разработана автоматизированная система управления процессом контроля нагрева полимерных материалов с одновременным контролем параметров работы ВЧ-генератора.
Ключевые слова: полимеры, температура, анодный ток, ВЧ-излучение, электротермическая обработка.
Abstract. The last decades are characterized by increased production of polymeric construction materials and the use of their products in all industries. Despite the declared properties of polymers, their mechanical characteristics change during their manufacture, transporting, handling and use. Therefore, one of the most important aspects of improving the quality and efficiency of the processing of polymeric materials is to provide methods and devices to control processing parameters.
вычислительная техника и управление
The aim of this study was develop the principle of to measuring the temperature in the area of HF and SHP exposure and improve the existing temperature measurement devices of dielectric heating ofprocessed polymers. The literature review on the issue of measuring the temperature in the area of high-frequency current heating was conducted, which showed that universal methods of temperature measurement in the area of HF and SHP exposure were found. Therefore, the authors developed, determining the temperature ofpolymeric materials with electrothermal processing and experimental setup for its implementation. Also, there was developed an automated process control system, controls the heating ofpolymeric materials with simultaneous control of the HF generator operating parameters.
Keywords: polymers, temperature, anode current, high-frequency radiation, electrothermicprocessing.
Введение
Эффективность ВЧ- и СВЧ-энергетического нагрева полимерных материалов многократно обосновывалась и подтверждалась [1-5]. При этом в большинстве работ отмечается актуальность и проблемность измерения температуры нагрева изделий из полимерных материалов в процессе воздействия на них поля высокой частоты [6-9]. Анализ данной проблемы показал, что это нетривиальная задача, связанная с активным воздействием изучения на измерительные приборы. Учитывая незначительный интервал температур (3-5 °С) [7, 10] от момента плавления до деструкции обрабатываемого материала, контроль температуры изделия в технологических процессах электротермии имеет важное народнохозяйственное значение.
Постановка цели и задач исследования Отсюда целью и научно-технической задачей исследования стала разработка принципа измерения температуры в зоне ВЧ- и СВЧ-воздействия и совершенствование имеющихся устройств измерения температуры диэлектрического нагрева обрабатываемых полимеров. Достижение поставленной цели возможно после решения ряда задач:
- обзор существующих решений измерения температуры при ВЧ-обработке полимерных материалов;
- разработка методики определения температуры;
- разработка экспериментальной установки;
- разработка алгоритма управления;
- проведение исследований.
Обзор существующих решений измерения температуры нагрева при ВЧ-обработке полимерных материалов Литературный обзор показал, что успешного решения проблемы измерения температуры в зоне нагрева практически не существует. Известно техническое решение проблемы за счёт прямого измерения температуры пирометром через предусмотренное окно в крышке экрана ВЧ-оборудования. При этом авторами не освещается вопрос выхода в селитебную зону ВЧ-излучения через имеющееся окно. Также данный способ применим только для
измерения температуры на поверхности обрабатываемого материала [11].
Достаточно широко используется методика косвенного измерения температуры в зоне СВЧ при помощи пропорционального отбора мощности в волноводе с целью нагрева контрольных материалов и последующего измерения их температуры. Этот способ основан на эквивалентном преобразовании, например, тепловой энергии исходных электромагнитных колебаний в материале и месте, удобном для измерения. На практике это не всегда применимо в связи с тем, что данный метод требует достаточно сложного переоборудования установок и используется в основном в лабораторных целях [12].
Достаточно большую группу приборов представляют так называемые диэлектрические термометры для измерения температуры при высокочастотном нагреве диэлектриков. Они содержат заполненный неполярной жидкостью (чаще всего керосин) резервуар, выполненный в виде запаянной с одного конца цилиндрической трубки. Однако такие приборы обладают большой инертностью и не отличаются повышенной точностью измерения, особенно при СВЧ-нагреве [13].
В рамках предварительного исследования авторами было разработано устройство [14], которое дает возможность измерения поверхностной температуры полимера при электротермической обработке. Необходимо отметить, что эта возможность имеется только при процессе ВЧ-сварки с использованием электродов специальной биметаллической конструкции.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что универсальных методик измерения температуры в зоне ВЧ- и СВЧ-обработки полимерных материалов найдено не было. По этой причине временную продолжительность цикла электротермической обработки - время достижения в материале температуры текучести термопласта - до сих пор находят расчетным путем, что корректно только при строгом учете изменяющихся во времени параметров процесса и свойств материала - удельной мощности, теплоемкости и теплопроводности термопласта.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Время, с
Рис. 1. Графики изменения температуры в центре и на поверхности зерновки пшеницы при СВЧ-воздействии для №3 = 14 %
За основу была принята методика ГНУ ВИ-ЭСХ Россельхозакадемии контроля температуры зерна в СВЧ-камере. Авторами данной работы была доказана возможность использования термопары К-типа в СВЧ-поле (в полностью загруженной продуктом активной зоне) для измерения температуры. Также ими была оценена погрешность влияния разогрева самой термопары при измерении температуры объекта (рис. 1).
Анализ полученных авторами данных (кривая 3) показал, что максимальный нагрев самой термопары, свободно расположенной в камере СВЧ, по отношению к начальной температуре составил 2,5 °С [15]. Такого типа термопары используются в стандартных промышленных методах. Они экономически эффективны при измерении температур в широком диапазоне (до +2500 °С) с приемлемой точностью. При этом процесс контроля легко поддается автоматизации.
Разработка экспериментальной установки и проведение исследований
С принятым за основу представленным выше принципом измерения температуры авторами в рамках настоящего исследования, была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка на базе промышленного оборудования модели УЗП 2500. Ввиду того, что процессы ВЧ-электротермии весьма динамичны, дополнительно было принято решение об автоматизации процесса контроля нагрева полимерных материалов с одновременным контролем параметров работы генератора. Принципиальная схема установки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - ВЧ-генератор; 2 - пульт оператора; 3 - амперметр; 4 - реле времени; 5 - оператор; 6 - заземленный электрод;
7 - высокопотенциальный электрод;
8 - низкопотенциальная опорная плита;
8-1 - термопара; 9 - привод пресса;
10 - высокопотенциальная плита; 11 - защитный экран;
12 - обрабатываемое изделие; 13 - регулятор Мощности; 14 - вычислительный блок
Принцип работы данной установки заключается в следующем. Образец из полимерного материала (позиция 12) помещается между электродами 6 и 7 плоскопараллельного рабочего конденсатора, подключенного к ВЧ-генератору 1.
В низкопотенциальной опорной плите 8 имеется отверстие, в котором проведена термопара 8-1 для контроля температуры исследуемого образца.
Анодный ток !а на рабочем конденсаторе измеряется автоматически после включения ВЧ-гене-ратора с помощью датчика тока (амперметра 3).
вычислительная техника и управление
Температура образца контролируется непрерывно, с помощью термопары 8-1, выходные сигналы от которой, так же как и с датчика тока, поступают на вход вычислительного блока 14, в качестве которого используется микроконтроллер Arduino UNO R3 MEGA328P, связанный с персональным компьютером через COM-порт.
При отладке установки было обнаружено, что при нагреве образца ВЧ-излучением термопара считывала некие периодические электрические сигналы, закономерность которых подлежит дальнейшему изучению (рис. 3).
Рис. 3. Считывание термопарой зашумленных периодических сигналов
Попытка ввода поправочного коэффициента на нелинейность ВЧ-нагрева по известной зависимости также не дала положительных результатов (рис. 4). В ходе исследований были обнаружены симметричные (возможно резонансные) непропорциональные помехи. График показывает запредельные значения температуры (нижняя кривая) и ее снижение, при ступенчатом увеличении и уменьшении мощности (верхняя кривая) ВЧ-воздей-ствия. Так, на графике видно ряд симметричных «всплесков» в показаниях температуры, что явно не соответствует реальным значениям процесса нагрева образца.
Рис. 4. Данные мощности ВЧ-воздействия и температуры с непропорциональными помехами
При этом было определено, что, в отличие от СВЧ-нагрева, ВЧ-термического воздействия на термопару не происходило, но при этом в ней наводится значительный электрический потенциал. На определенных режимах работы ВЧ-генератора термопара работала как антенна. Данная гипотеза была подтверждена дополнительными исследованиями в ходе литературного обзора [16], где авторами для измерения абсолютного значения тока в антенне используется термопара в сочетании с чувствительным прибором магнитоэлектрической системы.
По информации, опубликованной компанией-разработчиком и производителем высокочастотных («ЯР») и сверхвысокочастотных изделий для промышленности беспроводной связи WirelessTelecomGroup, использование термопары является одним из самых старых способов прямого измерения низких уровней ВЧ-мощности. В этом случае измеряется тепловое воздействие на нагрузку, и в настоящее время этот способ по-прежнему широко используется для измерения «истинной среднеквадратичной» мощности. ВЧ-амперметры на основе термопар использовались до 1930-х годов, но их использование было ограничено низкими частотами. Только в 1970-х годах были разработаны термопары, которые предоставили возможность использования их в качестве датчика температуры в диапазоне ВЧ-, ОВЧ- и СВЧ-излучений [17].
Принимая во внимание сказанное выше, для решения данной проблемы авторы за основу приняли метод импульсного воздействия с дискретизацией по времени. В рамках настоящего исследования, была разработана методика разделения во времени процесса нагрева и измерения температуры. Разработанный алгоритм процесса управления представлен на рис. 5.
В соответствии с представленным алгоритмом на языке С++ было разработано программное обеспечение.
Первоначально время дискретности на измерение ВЧ-нагрева, ввиду его высокой интенсивности, было определено исходя из максимальной вычислительной возможности микроконтроллера. Экспериментальные исследования показали, что измерение температуры с минимальной дискретностью по времени невозможно, т. к. технологическая система ВЧ-установки обладает значительной инертностью.
Данная подзадача была решена эмпирически, т. к. система электромеханического привода ВЧ-ге-нератора, процесса накала лампы, эмиссии лампы и других элементов обладает весьма сложными связями и зависит от ряда показателей (напряжения и
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
частоты сетевого питания, изношенности механических, электрических цепей и т. д.).
Сравнительный анализ графиков измерения температур с показателями помех, полученными при первых исследованиях, позволил определить точки (рис. 4, t = 0,7...0,8 с), которые и было принято считать конечным моментом времени влияния инертности системы на качество измерения температуры.
Для подтверждения адекватности способа определения инертности технологической системы при прямом измерении температуры в зоне ВЧ-электротермии был проведен ряд экспериментальных исследований, которые подтвердили выбранную величину t = 0,8 с.
Безусловно, технологическое время, затраченное на нагрев, с вводом прерывания на процесс измерения температуры несколько увеличивается
но практические исследования показали, что снижение эффективности процесса нагрева (время, затраченное на измерение температуры, а следовательно, исключенное из процесса нагрева) составляет менее 1 %, т. е. фактически не оказывает влияния на процесс нагрева, и поэтому им можно пренебречь. Это было предсказуемо, т. к. теплопроводность обрабатываемых полимерных материалов невысока. Необходимо также отметить, что интенсивный нагрев, присущий ВЧ-электротермии, оказывает влияние на процесс образования и развития микротрещин. Пластмассы расширяются или сжимаются в зависимости от температуры в 6-9 раз сильнее, чем металлы [18]. Таким образом, представленный алгоритм нагрева в некоторой степени положительно сказывается на процессе температурного расширения изделий.
Рис. 5. Блок-схема алгоритма исследования процесса контроля температуры
вычислительная техника и управление
Рис. 5. Блок-схема алгоритма исследования процесса контроля температуры (продолжение)
Процессу автоматизации экспериментальной установки предшествовала работа по разработке принципиальной блок-схемы устройства, представленной на рис. 6.
Таким образом, разработанная методика и экспериментальная установка впервые позволила осуществить измерение динамически меняющейся температуры полимерного образца в процессе его ВЧ-электротермического нагрева. Подвижность
термопары (рис. 7), т. е. возможность её размещения как на поверхности, так и внутри изделия (в заранее предусмотренном пазу, отверстии и др.), позволяет определить градиент температур в образце при диэлектрическом нагреве.
После монтажа блоков, отладочных работ по настройке программного обеспечения (ПО), датчиков устройств контроля и управления на экспериментальной установке (рис. 8) были проведены серии автоматизированных экспериментов.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 6. Структурная схема блока автоматизации устройства:
1 - блок автоматизации; 2 - вычислительное устройство микроконтроллера (аналоговые входы/выходы);
3 - цепь управления генератором; 4 - система управления сигнализацией; 5 - источник постоянного напряжения; 6 - экранирующий корпус; 7 - высокочастотный генератор; 8 - коаксиальный кабель; 9 - датчик угла поворота; 10 - линейный токовый датчик; 11 - рабочий
конденсатор; 12 - термопара; 13 - операционный усилитель; 14 - релейный модуль; 15 - вычислительное устройство микроконтроллера (цифровые входы/выходы); 16 - промышленный логический контроллер; 17 - персональный компьютер;
18 - защищенный корпус
Рис. 8. Экспериментальная автоматизированная установка
Таким образом, полученные экспериментальные данные позволили построить зависимость динамического изменения температуры и режимов работы ВЧ-генератора (анодного тока). Графический вид полученной информации представлен на рис. 9.
Сушка | Ппавление
О
г-,"
с |---
/
/
у Ф )ды в /V аля
20,0 25.0 130.0 Время г, сек
— т=№
- 1а =№
ШШШ
Рис. 7. Подвижная термопара, вмонтированная в нижний электрод
Считываемые параметры поступали в вычислительный блок в виде аналогового сигнала, а соответствующее оборудование контроллера, преобразовав их в цифровой вид, передавало программному комплексу PowerGraph. Адаптированный к контроллеру АМшпо комплекс позволил отображать и сохранять полученную информацию в графическом и цифровом виде в режиме реальном времени.
Рис. 9. Температура и анодный ток ВЧ-сушки и плавки природной полимерной массы
Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что разработанная в рамках настоящего исследования методика и устройство прямого измерения температур в зоне ВЧ-обработки позволяет решать важные народнохозяйственные задачи.
Выводы
Впервые при контроле температурных параметров нагрева по параметрам работы электротермического оборудования были получены сравнительные результаты фазовых превращений в материале. При этом рассмотрение зависимостей анодного тока от температуры позволяет говорить о переходе к контролю за ходом технологического процесса по косвенному показателю - динамике изменения анодного тока.
вычислительная техника и управление
При стабильных электрофизических параметрах групп полимеров возможно опираться на расчетные температуры в зоне обработки, предварительно определив время обработки.
Необходимо также отметить, что разработанная методика применима при определении температур и в СВЧ-печах.
В рамках настоящего исследования была определена методика предварительного выбора времени инертности технологической системы электротермических установок, что важно учитывать при организации регулирования процесса управления элетротермией, особенно при работе в наиболее энергоэффективных режимах электротермии (форсированных [6] и предпробойных [19]).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Калганова С.Г. Модификация свойств полимеров при нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний // Композит 2004. Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология : Докл. Между-нар. конф. Саратов, 2004. С. 309-312.
2. Кудряшов Ю.Б., Перов Ю.Ф., Рубин А.Б. Радиационная биофизика радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. М. : Физматлит, 2008. 184 с.
3. Лившиц А.В., Машович А.Я. Филиппенко Н.Г. Аспекты электротермической обработки материалов электромагнитным полем высокой частоты // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 2 (30). С.135-140.
4. Марков А.В. Многофункциональный контроль параметров технологического процесса в электротермической установке высокочастотного диэлектрического нагрева // Электротехника. 2007. № 7. С. 60-64.
5. Каргапольцев С.К., Филиппенко Н.Г., Лившиц А.В. Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4 (32) С. 50-54.
6. Румынский С.Н. Автоматизированная система управления процессом сварки изделий из полиамида // дис. ... кан. тех. наук. СПб, 2005. 133 с.
7. Зайцев К.И. Сварка полимерных материалов. М. : Машиностроение, 1988. 312 с.
8. Марков А.В. Математическая модель высокочастотной сварки термопластов // Математические методы в технике и технологиях : материалы 19 международ. науч. конф. ММТТ-19. Т. 5. Воронеж, 2006. С. 87-89.
9. Лившиц А.В., Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К. Высокочастотная обработка полимерных материалов. Организация систем управления. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2013. 172 с.
10. Макаров В.Г. Промышленные термопласты : справочник. М. : Химия, Колосс, 2003. 204 с.
11. Федорова И.Г. Высокочастотная сварка пластмасс. Л. : Машиностроение, 1990. 80 с.
12. Kosakov A.A. Partial Discharges Research in Power Supplying Devices of Railway Transport // PraceNaukowe. 2004. Transport NR 2 (20). Р. 275280.
13. Диэлектрический термометр для измерения температуры при высокочастотном нагреве диэлектриков [Электронный ресурс] // База патентов СССР. URL: http://patents.su/2-1280337-diehlek-tricheskijj-termometr-dlya-izmereniya-tem-pera-tury-pri-vysokochastotnom-nagreve-diehlektri-kov.html (дата обращения: 16.10.2016).
14. Пат. 132549 Рос. Федерация. Устройство измерения температуры поверхности объекта / С.И. Попов, А.В. Лившиц, Н.Г. Филиппенко ; патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. Опубл. 20.09.2013.
15. Будников Д. А. Контроль температуры зерна в СВЧ камере // Технические науки в России и за рубежом : материалы II междунар. науч. конф. М. : Буки-Веди, 2012. С. 66-68.
16. Антенные измерения и настройка антенн [Электронный ресурс] URL: http://www.radiouniverse.ru /book/antenny/glava-chetyrnadcataya-antennye-iz-mereniya-i-nastroyka-antenn (дата обращения: 16.10.2016).
17. Принципы измерения мощности [Электронный ресурс]. URL: https://radio.vilcom.ru/upload-files/news/04.06.2013/Nachalnoe_rukovodstvo_po _izmereniu_VCH_i_SVCH_mownosti .pdf. (дата обращения: 16.10.2016).
18. Design Guide. Modern Plastics Encyclopedia, McGraw-Hill, New York, 1980-81. 49 p.
19. Филиппенко Н.Г. Автоматизация управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов : дис. ... кан. тех. наук. Иркутск, 2012. 161 с.
