CC BY
86
бесперебойного и качественного теплоснабжения, тики, а так же получение реального экономиче-поддержание оптимальных (энергоэффективных) ского эффекта и, как следствие, сдерживание ро-эксплуатационных режимов объектов теплоэнерге- ста тарифов на тепловую энергию и горячую воду.
ЛИТЕРАТУРА
1. Виноградов А.Н. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ "ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ" И ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ WI-FI ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ОБЪЕКТАХ ЖКХ // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017. Т. 1. С. 267-272.
2. Шарапов В.И., Ротов П.В. Регулирование нагрузки систем теплоснабжения: Монография. - М.: Издательство "Новости теплоснабжения", 2007. - 164 с.
3. Виноградов А.Н. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ОБЪЕКТАХ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 012. Т. 2. С. 160-161.
4. Чипулис В.П. ВЫБОР И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 2. С. 193-197.
5. Kuznetsov R., Chipulis V. REGRESSION ANALYSIS IN ENERGY SYSTEMS // Advanced Materials Research. 2013. Т. 740. С. 772-777.
6. Дейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: В 2-х кн. Кн.1 / Пер. с англ. —М.: Финансы и статистика, 1986. - 366 с.
7. Чипулис В.П. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕЖИМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ // Измерительная техника. 2014. № 9. С. 32-38.
8. Чипулис В.П., Кузнецов Р.С. СКУТЕР — Анализ режимов регулирования // Официальный бюллетень «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». -M: РОСПАТЕНТ. №1(111) 2016. Свидетельство №2015662895.
9. Чипулис В.П., Михайлов А.А. СКУТЕР — Регрессии // Официальный бюллетень «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». - M: РОСПАТЕНТ. №3. 2017. Свидетельство № 2017613240
10. Kuznetsov R.S. Diagnostic application in the heat-power engineering // First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications. - Vladivostok, Russia, 6 - 9 September, 2010. - P. 291-293.
УДК 618.1
Суховеев А.Л. r Лавров А.В.
Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБРАБАТЫВАЕМОГО ОБЪЕКТА В ДЕЙСТВУЮЩЕМ СВЧ-ПОЛЕ
Данная статья посвящена перспективному методу измерению температуры различных объектов и материалов в активном СВЧ-поле. Основное внимание уделено представлению структуры готового автоматизированного устройства, способного обеспечить высококачественную СВЧ-обработку. Кратко рассмотрена необходимая элементная база. В статье проведен анализ существующих решений и исследование методов измерения температуры обрабатываемых материалов в микроволновой камере. Предложена система построения СВЧ-печи, способной контролировать температуру нагреваемых объектов, а также регулировать мощность на основании полученных данных. В результате исследования выявлены новые векторы развития для СВЧ-обработки. Задан план создания и развития системы дистанционного измерения температуры продукта на основе его радиометрических параметров
Ключевые слова:
СВЧ, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА, ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ЯРКОСТНОЙ СПЕКТР, ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОНТРОЛЬ, ВОЛНОВОД
Введение
Создание новых функций для бытовых и промышленных СВЧ-печей имеет высокие перспективы, потому что на протяжение последних лет наблюдается серьезная технологическая стагнация в этом направлении. В частности, российская промышленность из года в год теряет позиции в производстве бытовой СВЧ-техники, потому что не выдерживает конкуренцию азиатских производителей [1]. Единственное решение — это разработка новых функций, которые повысят качество обработки продукта.
На данный момент в микроволновых печах программы обработки строятся на зависимости между объемом объекта, проницаемостью продукта и подаваемой мощность. Соответственно качественный результат зависит от четкого соблюдения всех переменных. Но даже если мы можем соблюсти требования по продукту, то мощность, подаваемая магнетроном со временем, изменяется ввиду износа оборудования. Из этого следует, что качественный результат достигается на протяжение сравнительно ограниченного промежутка времени, а также требует унифицированных параметров обрабатываемого материала.
Работа посвящена исследованию методов измерения температуры в активном нагревающем СВЧ-поле, а также предлагается свое решение поставленной задачи. Объектом исследования является система бесконтактного измерения температуры тела, находящегося под воздействием микроволнового излучения. Проводится анализ теоретического потенциала подобного решения.
Актуальность работы заключается в необходимости развития области СВЧ-обработки, которая ощущает серьезную стагнацию на протяжении последних лет [1]. Также, одним из важных факторов разработки будет создание более энергоэффективного устройства [2-5].
Постановка задачи: в рамках статьи будет предложено инновационное решение в области контроля физических параметров при СВЧ-нагреве. Будут представлены основные сравнительные и структурные показатели.
Целью работы является разработка структуры конечной установки, анализ основных функциональных блоков, анализ необходимых методов исследования, для достижения нужного результата.
Для достижения заявленных целей в работе предусматривается решение следующего комплекса задач:
проведение сравнительного анализа существующих решений, используемых на данный момент;
анализ возможных методов контроля температуры объекта;
разработка базовой структуры конечной системы;
исследования возможных качественных показателей результирующего устройства.
Методы, используемые для решения поставленной задачи:
сравнительный метод для анализа перспектив решаемой задачи;
группа эмпирических методов для описания возможного исполнения конечного изделия.
Источниками для создания проекта являются:
Различные методы анализа температурных показателей электронной аппаратуры [6, 7];
Способы контроля температуры в СВЧ-поле [2, 3, 4];
Практическая ценность работы состоит в том, что теоретическое описание структурная схема изделия позволит начать работы, связанные с проектированием и проведением натуральных экспериментов. Классическое для многих устройство получит новый функционал и прирост энергоэффективности.
Анализ существующих решений бесконтактного измерения температуры
Чтобы решить поставленные задачи, нужно определить за счет каких функций будет достигнут качественный прирост и упрощена работа с оборудованием. Если это приготовление пищи или обработка однородного материала, то при наличии необходимых программных настроек или известной необходимой мощности СВЧ-излучения нам нужно знать массу материала, а плотность материала мы рассматриваем в средних характерных значениях ввиду несущественности погрешности. Соответственно интересным решением будет монтаж встроенных весов, но очевидно, что такая функция будет неудобной для регулярного использования, потому что монтаж осуществляется в совокупности с вращающимся столиком или на крайне большой площади для промышленных печей. Как следствие эффективность и удобство такой функции крайне малы.
За счет какого же параметра мы сможем пренебрегать представленными выше переменными. Нужно проанализировать при каком условии достигается приготовление блюда в духовом шкафу. Как правило это подача фиксированной температуры в камеру. Рассматривая особенности СВЧ-нагрева можно сделать вывод, что нам необходима информация о температуре обра б а тыв а емог о материала, потому что
электромагнитное излучение магнетрона действует непосредственно на дипольные молекулы объекта обработки, а не прогревает камеру в целом.
На сегодняшний день распространенный метод контроля температуры материала в СВЧ-камере — это использование термопары [2]. Но данный способ имеет несколько явных минусов. Для начала это контактность. Для осуществления контроля нужно непосредственное соприкосновение с обрабатываемым объектом, что имеет негативный характер для продуктов питания. А вот самый явный минус — это вероятность "пробоя" и наведение внешней ЭДС, которая приведет к колоссальной погрешности. Как итог, данная методика измерения может быть задействована не повсеместно ввиду низкой надежности и ограниченного спектра выполняемых задач.
В 2016 году был предложен и был представлен новый способ контактного контроля температуры с использованием ^образной герметичной трубки с закаченной газообразнойсредой [3]. На данный момент не известны результаты по фактической реализации, но можно предположить, что стоимость проекта будет высокой, а использование СВЧ-печи с такой функцией как единой системы будет крайне проблематичным.
Рисунок 1 - СВЧ-камера с тепловизором [gizmag.com/thermal-vision-microwave/3 60 68]
В обозначенных ранее методах повторилась одна особенность. Это контактность. Соответственно нужно рассмотреть, что предлагается в области дистанционных методов измерения температуры.
Достаточно очевидный для многих метод был предложен в 2013 году Ткаченко А. В. Автор предложил использование пирометра для контроля температуры обрабатываемого образца. Основанием для создания метода послужило несколько факторов. В первую очередь это наличие энергетической яркости (интенсивности) нагретого тела. А также возможность работы с большим спектром температур и материалов [4].
Используя такие же принципы бесконтактного измерения, что и Ткаченко А. В., свое решение представил американский изобретатель Марк Робер, который разработал СВЧ-камеру с тепловизором (рис. 1.). В перспективе возможно использовать методы автоматической обработки термограмм тепловизора для автоматизированного принятия решений о состоянии нагрева [8-10]. Изделие достаточно интересно и возможно в будущем имеет некоторые перспективы, но его высокая стоимость делает его бесполезным для повсеместного использования на сегодняшний день [5].
Концепция СВЧ-установки с бесконтактным измерителем температуры на базе ИК-датчиков
На основе проведенного анализа была создана идея СВЧ-печи с системой бесконтактного измерения температуры на базе матрицы ИК-прием. В отличии от аналогов было решено создать не симбиоз двух готовых устройств [4, 5], а разработать свой более дешевый и эффективный вариант, базирующийся на схожих принципах. Цель данной статьи обозначить общую структуру и принципиальные отличия конечного устройства.
Было решено использовать группу приемников инфракрасного излучения. Основным явными плюсом является масштабируемость. Под этим понятием мы понимаем, что можно под разный размер камеры использовать нужное количество датчиков. Следующее преимущество заключается в особенно работы ИК-датчиков. Для них характерно такое понятие как разрешающая способность. Из этого следует, что чем дальше от источника датчик, тем больше площадь, с которой поступает ИК-излучение. Для отдельно взятого датчика это может стать проблемой, потому что значение на области будет усредняться. Например, информация будет идти с области где есть объект обработки и стенка камеры, а значит, мы получим крайне неверное значение. Использование группы датчиков позволит расположить их так, чтобы добиться суперпозиции, при которой они будут корректироваться друг по другу и получать высокие значения при не очень высокой разрешающей способности [11].
Также цепь датчиков можно выстроить таким образом, что выход из строя одного позволит системе определить неисправность и в момент работы использовать значения оставшихся рабочих элементов.
Информационное излучение будет выводиться посредством поверхностных волноводов. К ним будут подсоединены рефлекторы в виде полусфер, которые будут концентрировать излучение с области. Будет необходима некоторая переработка геометрии камеры, таким образом, чтобы рефлекторы не мешали равномерному распределению СВЧ-излучения [12] .
На рис. 2 представлена общая функциональная схема устройства, в которой обозначены основные точки соприкосновения различных блоков устройства.
Рисунок 2 - Функциональная схема СВЧ-печи с возможностью бесконтактного измерения температуры
объекта
Посредством управляющей платы возможно осуществлять взаимодействие измерительного блока и СВЧ-излучателя. Осуществлять активную регулировку мощности.
В начале работы обозначена проблема, как износ оборудования [13] . На базе данного проекта будет реализована модульность измерительного блока. Соответственно появиться возможность заменить группу датчиков по окончанию их эксплуатационного периода. Также это позволит использовать более дешевую элементную базу ИК-датчи-ков. Достаточно эффективное решение с экономической точки зрения, которое позволит сделать конечное устройство значительно дешевле при покупке.
Может возникнуть вопрос, почему не сделать модульной всю элементную базу. Все достаточно просто. Контроллер будет подстраиваться под измерительный блок, соответственно мощность излучателя будет увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень СВЧ-излучения. В результате в рамках реализации модели предиктив-ного ремонта [14] возможно пренебречь износом магнетрона, а в большинстве случаев его выход из строя говорит о всеобъемлющем износе установки и необходимость ремонта нецелесообразна ввиду высокой стоимости элемента относительно всей установки.
Оценка применимости методов управления температурными режимами при СВЧ нагреве
В результате разработки реализовано устройство, которое позволяет конечному пользователю существенно упростить работу с СВЧ-печью. Простейший пример для бытовой техники это нагрев пищи при разогреве до необходимой температуры.
Как итог, повысится энергоэффективность и надежность [15, 16].
Также появиться возможность сохранять температуру объекта при длительной сушке без потери свойств материала. Соответственно, этот принцип будет работать и для процесса плавления.
С экономической точки зрения мы получаем устройство, конечная стоимость которого будет иметь минимальное отличие от средней цены по рынку, ввиду использования элементов имеющих невысокую стоимость. Класс точности ИК-датчиков зависит от цены, но и уровень задачи также может повыситься.
Заключение
В результате работы систематизированы и обобщены методы управления и повышения качества обработки в СВЧ-установках посредством расширения измерительных функций.
Проведен анализ существующих решений по измерению температуры образца в СВЧ-камере. За основу взято инфракрасное излучение нагретого объекта, которое в своем спектре отражает тепловые уровни тела. На базе известных свойств и существующих приборов очевидно, что можно создать комплексное устройство нагрева с высокой энергоэффективностью и повышенным контролем при обработке. В результате мы получим обыденное устройство, которое сможет решить задачу термической обработки существенно лучше. Практические исследования также показывают, что все актуальные методы контроля температуры в СВЧ-поле имеют серьезные недостатки.
На основе проведенного исследования предложена концепция СВЧ-установки, особенностью которой является группа ИК-датчиков, контролирующих температуру всей поверхности тела.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рынок микроволновых печей в России: итоги 2016, данные 2017, и прогноз до 2020 [Электронный ресурс] - адрес доступа URL: https://roif-expert.rupotrebitelskie-tovary/bytovaya-tehnika/rynok-bytovyh-mikrovolnovyh-pechej/rynok-bytovyh-mikrovolnovyh-pechej-v-rossii-obzor-i-prognoz.html. дата обращения 29.12.2017.
2. Будников Д. А. Контроль температуры зерна в СВЧ камере // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Междунар. науч. конф. — г. Москва, ноябрь 2012. Изд-во Буки-Веди. 2012. — С. 66-68.
3. Студенцов В. Н., Москвин Р. Ю., Пятаев И. В., Устройство для измерения температуры материала, нагреваемого в электромагнитном поле СВЧ - Патент РФ №2607047 от 08.07.2016.
4. Ткаченко А. В. Дистанционное измерение температуры в поле СВЧ // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность! — Издательство: Омский государственный технический университет (Омск), 2013.
5. Nick Lavars, Thermal vision microwave shows when your food is cooked just right. [Электронный ресурс] - адрес доступа URL: https://newatlas.com/thermal-vision-microwave/3 60 68/. дата обращения 29.12.2017.
6. Семенцов С.Г., Гриднев В.Н., Сергеева Н.А. Тепловизионные методы оценки влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2016. № 1 (106). С. 3-14.
7. Семенцов С.Г., Гриднев В.Н., Сергеева Н.А. Исследование влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры тепловизионными методами // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 2. С. 6-10.
8. Гриднев В.Н., Сергеева М.Д., Чебова А.И. Линейные модели распознавания тепловизионных изображений неисправностей электронных ячеек // Контроль. Диагностика. 2014. № 8. С. 57-66.
9. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль электронно-вычислительных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 6 (72). С. 42-49.
10. Панфилова С.П., Власов А.И., Гриднев В.Н., Червинский А.С. Бесконтактный тепловой контроль изделий электронной техники // Производство электроники. 2007. № 3. С. 25-30.
11. Арабов Д.И., Власов А.И., Гриднев В.Н., Григорьев П.В. Концепция цифрового инструментального производства (FAB LAB) для прототипирования изделий электронной техники // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 5-3 (47). С. 23-34.
12. Комаров В.В. Сравнительный анализ двумерных и трехмерных численных моделей камер СВЧ-нагрева // Электромагнитные волны и электронные системы. 2006. Т. 11. № 7. С. 10-15.
13. Власов А.И., Карпунин А.А., Ганев Ю.М. Системный подход к проектированию при каскадной и итеративной модели жизненного цикла // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 015. Т. 1. С. 96-100.
14. Vlasov A.I., Yudin A.V., Shakhnov V.A., Usov K.A., Salmina M.A. Design methods of teaching the development of internet of things components with considering predictive maintenance on the basis of mechatronic devices // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Т. 12. № 20. С. 9390-9396.
15. Камышная Э.Н., Маркелов В.В., Соловьев В.А. Программное обеспечение конструкторских расчетов РЭС и ЭВС. Том 4. Расчет надежности. - Москва, Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2000. 32 с.
16. Огурцов К.Н., Дунаева Т.Ю. Повышение энергоэффективности СВЧ электротермических установок с камерами лучевого типа путем управления источниками внутреннего тепла в объекте // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2015. Т. 4. № 1 (81). С. 192-196.
УДК: 621.3
Макушина Н. В., Сергеева М. Д.
Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия, МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ОТВЕРСТИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ НА МИКРОШЛИФАХ
В работе рассмотрена методика дефектоскопии металлизированных отверстий печатных плат по микрошлифам. Приведены рекомендации по организации операций дефектоскопии печатных плат по микрошлифам. Даны рекомендации по внедрению автоматизированной обработки результатов дефектоскопии печатных плат. Ключевые слова:
ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ, ДЕФЕКТОСКОПИЯ, МИКРОШЛИФЫ, МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫЕ ОТВЕРСТИЯ, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Введение. Вопросы обеспечения качества металлизации монтажных отверстий (МО) печатных плат (ПП) имеют важное значение при их изготовлении. Традиционно решение задачи контроля качественных характеристик ПП осуществляется методом изготовления микрошлифов с последующей оценкой параметров слоев металлизации и сравнения с эталоном. Как правило, контроль производится прямым визуальным методом, что определяет высокую вероятность ошибок такого контроля и его высокую длительность. Исполнитель, как правило, не может выполнить глубокий анализ (это не технологично - операции должны выполняться быстро и с высоким уровнем повторяемости результатов). Он не имеет возможности выявлять причины возникновения дефектов, проводить необходимые для этого обобщения и анализ, классифицируя только субъективно по принципу «брак» или «не брак» [1-3].
Внедрение средств автоматизации на этапах визуальной инспекции печатных плат по микрошлифам позволяет получить ряд преимуществ [4, 5]:
сокращение времени операций визуального контроля;
снижение вероятности появления ошибки контроля, возможно (по необходимости) дополнительно, в режиме реального времени, контролировать правильность принятия решения с автоматизированного рабочего места;
возможность достоверно оценить вероятную причину появления брака и выработки рекомендаций по методам его снижения (устранении) с использованием возможностей экспертной подсистемы (она аккумулирует сведения о структуре техпроцесса, его параметрах и режимах и т.п.);
широкие возможности по сбору и обработке статистическую информации принятия решений по выбору и корректировке режимов технологических процессов (ТП).
Обработка изображений является одной из ключевых задач в общей парадигме цифрового обеспечения качества. Многие задачи обработки изображений требуют высокой производительности. Проблемы распознавания изображений (фильтрация и восстановление изображений, сегментация изображений, скелетонизация изображений) характерны как для классической задачи распознавания фигур заданной формы, так и для задачи распознавания
линий и углов на изображении, распознавания края изображения [6 - 8]. Для решения задач обработки изображение широкое распространение получили нейронные сети (НС). В общем случае искусственная НС не является универсальной по своей структуре. Результат нейросетевой дефектоскопии является хорошим инструментом для увеличения выхода годной продукции, особенно дефектоскопии сложных многослойных плат, примеры которой приведены в [4].
Наиболее распространенными дефектами МО ПП являются: бочкообразная форма отверстий, наросты меди, дефект типа "гвоздь", разрывы металлизации, дефекты типа "слезы" и т.п. Систематизируем характер данных дефектов и причины их возникновения.
1 Методика подготовки микрошлифов
Для наибольшей достоверности оценки качества металлизации отверстий ПП изготавливаются микрошлифы [1]. Чтобы изготовление микрошлифов не приводило к разрушению плат шлифы выполняют на специальных тестовых элементах, расположенных на технологическом поле платы. Контролируемая плата направляется в металлографическую лабораторию. С помощью универсальных ножниц вырезают образец 15х30 мм в тестовой зоне. Приготовляется состав на основе самотвердеющей пасты 5г (АСТ-Т, ТУ 162-17-69) или технического бутакрила (МРТУ 64-29-69) путем их смешивания с 15-2 0 мл жидкости АСТ-Т. Получившимся составом заполняют отверстия, предназначенные для контроля, для чего неоднократно погружают образец в состав. После покрытия образца самотвердеющим составом, его устанавливают между двумя пластинами оргстекла. Далее пакет сжимают с небольшим усилием, потом сушат в вытяжном шкафу в течение двух часов. Затем образец шлифуется абразивным кругом до контролируемых отверстий. Они вскрываются шлифованием на крупнозернистой абразивной шкурке (К310). Потом ведется шлифовка до середины отверстия с постепенным уменьшением зернистости шкурки (М40, М28) и со сменой направления шлифования. По окончании шлифования образец полируется на сукне суспензией на основе оксидов хрома и воды (2 г на 1 л). Полировка происходит в течение 2-3 минут. Далее образец промывается
