CC BY
179
УДК 536.5
А.А. Горбылев, Д.А. Гривастов
СГГ А, ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ РЕАЛИЗАЦИИ РЕПЕРНЫХ ТОЧЕК ТЕМПЕРАТУРНОЙ ШКАЛЫ
В данной статье рассматриваются мероприятия, проводимые в рамках модернизации вторичных эталонов температуры.
A.A. Gorbylev, D.A. Grivastov
Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM) 4 Dimitrova, Novosibirsk, 630004, Russian Federation; Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
RESEARCH OF ALGORITHMS OF MANAGEMENT OF PROCESSES OF REALIZATION CONSTANT OF POINTS OF A TEMPERATURE SCALE
In paper steps to supply upgrade of temperature secondary standard are considered.
С начала 2009 г. в ФГУП «СНИИМ» проводятся мероприятия по модернизации государственных вторичных эталонов температуры ВЭТ 34-27-99 и ВЭТ 34-22-89. В рамках этих мероприятий, помимо прочего, для эталона ВЭТ 34-27-99 были приобретены новые ампулы реперных точек затвердевания цинка (419,527 °С) и алюминия (660,323 °С).
Опыт использования реперной точки затвердевания алюминия в течение предыдущих шести лет показал сравнительно низкую ее конструктивную надёжность при эксплуатации в установках для реализации реперных точек эталона ВЭТ 34-27-99.
Изучение обстоятельств, при которых происходило разрушение капсулы, позволяет сделать вывод о том, что, вероятнее всего, причиной разрушения стал существенный градиент температуры по высоте ампулы.
Принимая во внимание физическую изношенность печей и другой аппаратуры для воспроизведения реперных точек, было принято решение изготовить совершенно новые установки, в которых можно реализовать реперные точки затвердевания металлов в режимах, обеспечивающих малый градиент температуры по высоте ампулы на всех стадиях процесса воспроизведения.
МТШ-90 устанавливает ряд реперных точек температуры затвердевания чистых металлов, который представлен в табл. 1.
Как правило, реперная точка состоит из ампулы с тиглем, в котором находится образец заплавленного металла высокой чистоты. Тигель помещен в герметичную капсулу, выполненную из графита, либо из кварца. Сама капсула помещена в кожух из нержавеющей стали. Кроме того, для реализации процесса воспроизведения реперной точки необходимо
специальное оборудование, включающее печь, а также управляющий и измерительный комплексы.
Таблица 1. Реперные точки затвердевания металлов МТШ-90
Металл Температура, °С Температура, К
1п (Индий) 156,598 429,748
Sn (Олово) 231,928 505,078
Zn (Цинк) 419,527 692,677
А1 (Алюминий) 660,323 933,473
Ag (Серебро) 961,78 1234,93
Аи (Золото) 1064,18 1337,33
Си (Медь) 1084,62 1357,77
Процесс воспроизведения реперной точки температуры затвердевания металла проходит следующим образом. Сперва уставка регулятора задается на уровне на (5-10) °С выше температуры плавления. Температура нагревателей достигает этого уровня довольно быстро, тогда как температура внутри ампулы растет медленней, вплоть до достижения температуры плавления металла. При достижении внутри ампулы этой температуры, начинается процесс плавления, характеризующийся постоянством температуры. Температуру нагревателей во время плавления необходимо также поддерживать постоянной до полного расплавления металла. После его расплавления температура внутри ампулы вновь начинает расти. После того, как зафиксировано начало перегрева, температуру нагревателей задают на (2-3)°С ниже температуры затвердевания и поддерживают постоянной. Температура внутри ампулы начинает понижаться вплоть до достижения температуры затвердевания, после чего в металле инициируется процесс затвердевания и дальнейшее понижение температуры в ампуле прекращается. С этого момента времени начинается так называемая «площадка» затвердевания, во время которой реперная точка может служить для передачи единицы температуры помещаемым в неё термометрам. Описанный процесс воспроизведения реперной точки представлен на рис. 1.
В целом система должна поддерживать температуру нагревателей в печи в пределах ±2°С. При этом градиент по высоте ампулы не должен превышать 5 °С для графитовой капсулы и 1°С - для кварцевой капсулы. При повышении значений градиента, есть вероятность разрушения капсулы.
Для каждой реперной точки в составе эталона имеется ампула с металлом, печь для воспроизведения, а также стойка управления САУРТ-М с регуляторами температуры.
Печь для реализации реперной точки затвердевания металлов представляет собой керамическую трубу, на которую намотаны три нагревателя. В неё погружается ампула с металлом. Нагреватель в середине печи является основным. Через него ампула получает большую часть мощности. Нагреватели по краям, так называемые, охранные, служат для выравнивания температурного
градиента. Мощность нагревателей задаётся усилителями мощности из состава САУРТ-М.
Рис. 1. Общий вид процесса воспроизведения реперной точки затвердевания чистого металла: красная линия - температура внутри ампулы; зеленая линия
- температура нагревателей
В связи с высокой тепловой инерционностью объекта управления, нельзя с уверенностью утверждать, что тепловые процессы, которые проходят в печи во время нагрева и охлаждения такие, какими их можно ожидать. Это связано с тем, что положение нагревателей и термопреобразователей в печи со временем может изменяться в результате усадок после циклов нагрева и охлаждения, ремонта и техобслуживания. А значит изменяется и воздействие нагревателей на ампулу.
Печи и ампулы составляют лишь часть, хоть и основную, оборудования, необходимого для реализации реперных точек. Другая часть оборудования -это система управления всеми процессами. Она включает в себя средства измерения температуры, ПИД-регуляторы, усилители мощности и интерфейс управления.
На данный момент управление процессами в эталоне ВЭТ 34-27-99 осуществляется с помощью установок САУРТ-М, выполненных в виде стоек, заполненных различными функциональными блоками. Каждая стойка состоит из блока питания, вольтметра, блока переключения уставок, регуляторов и усилителей мощности. Стойки выполнены на элементной базе 70-х, 80-х годов, и к настоящему времени устарели как морально, так и физически.
Основные фазы управления, которые реализует данное оборудование при нагреве, плавлении и перегреве, заключаются в следующем:
- На нагревателях устанавливается температура на (5-10) °С выше температуры плавления;
- Как только температура в металле достигла этой отметки, уставка изменяется на значение температуры на (1-2) °С ниже точки затвердевания;
- Регулирование и поддержание температуры основано на ПИД-законе. При этом все уставки регуляторов программируются персоналом вручную в ходе предусмотренных руководством по эксплуатации мероприятий (постоянной метрологической работы - ПМР).
Можно отметить, что алгоритм работы аппаратуры обладает рядом недостатков:
- Отсутствует возможность отслеживания градиента температуры по высоте ампулы, так как это не предусмотрено ни конструкцией печей, ни функциями самих стоек САУРТ-М;
- Отсутствует защита от возможных обрывов, ошибок оператора и сбоев оборудования;
- Отсутствует оперативный интерфейс управления и детального отслеживания процесса.
В прошлом эти недостатки не раз приводили к отказам оборудования, в том числе к разрушению ампулы. Устранение этих недостатков было выбрано основной целью модернизации эталонов.
Первым этапом модернизации была разработка нового управляющего комплекса на основе платформы персонального компьютера, для управления процессами формирования температурного режима в существующих печах. В состав комплекса входят компьютер, измеритель температуры и блок усилителя мощности.
Основным назначением комплекса является отладка режима управления. На нём был проведен ряд экспериментов. В частности, с использованием методов управления с поддержанием малого градиента температуры была получена площадка затвердевания цинка. В рамках эксперимента были разработаны и отлажены алгоритмы управления тепловым процессом; реализован закон цифрового ПИД-регулирования и интерфейс пользователя.
Однако в связи с отсутствием функционально эффективного верхнего нагревателя у печи, на который проводились эксперименты, не удалось достичь достаточно малого градиента и длительной площадки затвердевания. Однако полученные результаты были лучше, чем полученные на прежнем оборудовании. Эксперименты позволили сделать вывод о направлении работ по устранению выявленных недостатках во вновь создаваемых установках.
В частности, в новой аппаратуре предусматривается возможность измерения и отслеживания градиента температуры по высоте ампулы. Для этого на верхнем и нижнем конце ампулы закрепляют два термопреобразователя.
Управление, измерение и хранение данных организуется на компьютере, что добавляет гибкости при управлении процессами воспроизведения реперных точек. Оператор может отслеживать состояние процессов во времени с помощью дружественного интерфейса и графиков. Кроме того, новая программа защищает оборудование от возможных ошибок оператора и сбоев оборудования.
В процессе нагрева, охлаждения и поддержания температуры учитывается градиент температуры по высоте ампулы, что положительно сказывается на длительности площадки затвердевания. При этом должен увеличиться срок службы ампулы и точность воспроизведения температуры.
Конструкция новых печей в целом не отличается от прежних, за исключением некоторых особенностей.
1. При проектировании учитываются реальные размеры ампулы с металлом, для того, чтобы охранные нагреватели находились строго над верхним и нижним концами ампулы, что должно снизить тепловую инерцию;
2. Внутри печи закреплены два термопреобразователя для измерения градиента температуры по высоте ампулы.
Ниже представлены результаты экспериментов, выполненных на макете печи для реализации реперной точки затвердевания индия, изготовленной полностью в рамках новой концепции.
time, sec
Рис. 2. График процесса воспроизведения реперной точки затвердевания
индия
На графике видно, что площадка затвердевания продолжаетсь более полутора часов. В процессе регулирования акцент ставился на поддержания минимального значения градиента температуры. На рис. 3 представлены увеличенный участок фазы затвердевания предыдущего графика.
155
154
Рис. 3. Увеличенный участок графика площадки затвердевания индия
Градиент температуры по высоте ампулы в процессе воспроизведения реперной точки не превышал 0,2 °С.
Работы по реализации программы модернизации в настоящее время продолжаются. В ближайшее время планируется ввод в эксплуатацию двух установок - для реализации точки затвердевания индия и цинка. Затем, по результатам опыта эксплуатации, будут изготавливаться установки для реализации точек затвердевания олова, алюминия и меди. Индий и цинк выбраны в качестве первоочередных в связи с простотой процесса реализации этих реперных точек.
В процессе модернизации также решаются многие прикладные задачи: полностью самостоятельное изготовление печей, датчиков температуры, усилителей мощности. Это обеспечивает метрологическую независимость государственных вторичных эталонов температуры.
© А.А. Горбылев, Д.А. Гривастов, 2010
