Системы автоматизированного эксперимента для исследования свойств полимерных материалов транспортного назначения при высокочастотной электротермии

Введение. Движущей силой роста отрасли полимерной продукции по-прежнему остается постоянно растущий уровень жизни человечества. При этом необходимо отметить, что непрерывный рост демонстрирует прежде всего транспортный сектор отрасли машиностроения.

В современном мире компании полимерной индустрии строят новые мощности с минимальными капитальными затратами благодаря использованию передовых технологий, позволяющих сократить расходы через снижение норм расхода электроэнергии, и в первую очередь это относится к технологиям высокочастотной электротермии [1–11]. Однако внедрение этих технологий сдерживается в связи с отсутствием достоверных данных об электрофизических свойствах современных материалов, необходимых для организации процессов управления. Поэтому решение данной проблемы является важной народнохозяйственной задачей.

В связи с этим, целью данной работы является анализ существующих систем автоматизации научных исследований (САНИ) и систем автоматизации экспериментов (САЭ) воздействия высокочастотной электротермии на свойства обрабатываемых в поле ВЧ полимерных материалов в широком диапазоне температур.

Анализ состояния САНИ и САЭ ВЧ-электротермии. В технологических процессах обработки пластмасс метод ВЧ-нагрева, как уже неоднократно отмечалось, является одним из наиболее совершенных. Об эффективности применения ВЧ-нагрева судят по величине фактора диэлектрических потерь материала диэлектрической проницаемости ε′, тангенса угла диэлектрических потерь tgδ [1–28]. Авторы системы автоматизированного исследования по определению диэлектрической проницаемости ε′ и тангенса угла диэлектрических потерь –tgδ, полиамида-610 проводили работы с помощью куметра Е9 (измерителя добротности) резонансными методами двух и трех измерений [Error! Reference source not found.; 29]. Функциональная схема измерений и расположение обрабатываемого материала представлены на рис. Error! Reference source not found. и 2, соответственно, где на образец материала, помещенного между двумя обкладками рабочего конденсатора 2 воздействовало ВЧ-поле. Контроль температуры и осуществлялся пирометром 3 и термопарами ТЕ 4-1. Расчет диэлектрических показателей осуществлялся вычислительным устройством 1.

Результатами работы стали полученные данные по характерным изменениям электрофизических параметров полиамида ПА-6 (ε′ и tgδ) в зависимости от температуры. Тем не менее, даже сами авторы в работе указывают на сложности использования такой системы исследований при определении момента расплава материала, ссылаясь на трудноконтролируемый процесс, сопровождаемый газообразованием в момент фазового перехода. Очевидные недостатки разработанного автоматизированного эксперимента заключаются также в отсутствии систем помехоустойчивости, а математическая модель, не соответствует реальной технологической системе и состоит из одного слоя свариваемого материала.

Рис. 1. Функциональная схема измерений:

1 – вычислительное устройство; 2 – верхняя и нижняя обкладки рабочего конденсатора;

3 – окна для пирометрии температуры

Fig. 1. Functional measurement scheme:

1 – computing device; 2 – upper and lower plates of the working capacitor;

3 – windows for temperature pyrometry

Рис. 1. Расположение свариваемого материала в рабочем конденсаторе: 1 – свариваемые материалы; 2 – электроды

Fig. 2. The location of the welded material in the working capacitor:

1 – materials to be welded; 2 – electrodes

Математический аппарат модели ВЧ-нагрева, предложенный авторами [ Error! Reference source not found. ; Error! Reference source not found. ], описывает распределение температуры в толще термопласта с учетом конструктивных особенностей технологической оснастки (рис. 3) .

Расчет процесса сварки осуществлялся путем численного решения уравнения при переменных значениях у . Использовались зависимости, полученные расчетноэкспериментальным путем.

Недостаток данной системы, как и у предшествовавших авторов, связан также с математической моделью. Модель претерпела изменения и была расширена, но рассматривается только частный случай обработки, а именно сварка. Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.

В работах [ Error! Reference source not found. ; Error! Reference source not found. ] недостатки, указанные в предыдущих вариантах автоматизированных экспериментов, уже не столь явны, но тем не менее представленная САЭ имеет ограниченные возможности и применима только при исследовании полярных термопластов. Приспособление для высокочастотной обработки деталей представлено на рис. 5.

Рис. 2. Высокочастотная сварка деталей из пластмасс в технологической оснастке с одним изолированным электродом, где h 1 , h 4 – толщина высокопотенциального и заземленного электродов; h 2 – толщина изоляционного вкладыша; l = h 3 /2 – толщина свариваемой детали; x i – координата границы слоя; x s – координата сварного шва; y – расстояние от сварного шва; U р – напряжение на рабочем конденсаторе

Fig. 3. High-frequency welding of plastic parts in industrial equipment with one insulated electrode, where h 1 , h 4 is the thickness of the high potential and grounded electrodes; h 2 is the thickness of the insulating liner; l = h 3 /2 – thickness of the welded part; x i is the coordinate of the layer boundary; x s is the coordinate of the weld; y is the distance from the weld; U р is the voltage at the working capacitor

Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки:

• 1    и 2 – образец изделия; 3 – электроды рабочего конденсатора; 4 – изоляционный вкладыш; 5-1 – акустический датчик; 5-2 – аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 6 – вычислительное устройство; 7 – ВЧ-генератор; 8 – амперметр анодного тока; 9 – кнопка «ПУСК»

Fig. 4. Schematic diagram of the experimental setup:

1 and 2 is a product sample; 3 is for electrodes of the working capacitor; 4 is an insulating liner; 5-1 is an acoustic sensor; 5-2 is an analog-to-digital converter (ADC); 6 is a computing device; 7 is a HF generator;

8 is an ammeter of the anode current; 9 is a “START” button

Рис. 3. Приспособление для высокочастотной обработки деталей:

h 1 , h 4 – толщина высокопотенциального и заземленного электродов; h 2 – толщина изоляционных вкладышей; l – толщина обрабатываемой (свариваемой) детали; x – координата границы слоя; x s – координата соединения; y – расстояние от места соединения; U р – напряжение на рабочем конденсаторе

• Fig. 5.    Applience for high-frequency processing of parts:

h1, h4 are thickness of high-potential and grounded electrodes; h2 is the thickness of the insulating liners; l is the thickness of the processed (welded) part; x is the coordinate of the layer boundary; xs is the coordinate of the connection; y is the distance from the junction; Uр is the voltage at the working capacitor

Было найдено решение по организации расчета и измерения температуры на поверхности и внутри материала и защиты электродов от пробоя, реализация которой осуществлена как в аппаратной, так и в программно-математической части системы исследования [4; 14; 23].

Претерпела изменения и аппаратная часть АСНИ. Были добавлены системы коммутации и блоки управления.

Тем не менее представленная модель хоть и расширила возможности технологической системы (увеличено до пяти слоев материала), но возможность ее применения ограничивается рядом процессов ВЧ-обработки, таких как сварка, сушка, акклиматизация.

Особенностью работ [ Error! Reference source not found. ; Error! Reference source not found. ; Error! Reference source not found. ] является расширение возможностей научных ВЧ-исследований, касательно диагностических процессов. Была разработана математическая модель измерения емкости рабочего конденсатора, а также создан программный комплекс расчета результативных параметров диагностирования (рис. 6) при ВЧ-воздействии в зависимости от форм и размеров образцов [7; 14; 22; 33; 34].

Данная автоматизированная система (рис. Error! Reference source not found. ) научных исследований расширила возможность и перечень технологических процессов ВЧ-электротермии, но касается только одного из видов исследований, а именно диагностики.

Рис. 6. Интерфейс программного комплекса Aleo_HFH

• Fig. 6.    Interface of Aleo_HFH software complex

Рис. 7. Интерфейс программного комплекса Aleo-Diagnost

• Fig. 7.    Aleo-Diagnost software interface

Анализ одной из последних работ систем научных исследований [8; 12; 24; 25] по изучению взаимосвязей электрофизических параметров электротермического оборудования и широко применяемых в транспортном машиностроении полимерных материалов показывает, что были решены ряд задач, не входивших в работы предшествующих авторов.

Была разработана математическая модель технологической системы в 3D постановке (рис. Error! Reference source not found. и Error! Reference source not found.), включающей изменяемое количество электродов, изоляторов и обрабатываемых материалов, а разработанный алгоритм позволил произвести расчеты температурного поля, учитывающего нагрев технологической системы.

Рис. 8. 3D пятислойная технологическая схема ВЧ-обработки.

1-я группа технологической схемы: 1 – низкопотенциальный электрод рабочего конденсатора;

2 – изолятор; 2-я группа: 3 – обрабатываемый полимер (внутренний источник тепла); 3-я группа:

5 – высокопотенциальный электрод рабочего конденсатора; 4 – изолятор; X , Y , Z – координаты границ слоев; U р – напряжение на рабочем конденсаторе

• Fig. 8.    3D five-layer high-frequency processing technological scheme.

The first group of the technological scheme consists of:

• 1    – low-potential electrode of the working capacitor; 2 – insulator; 2nd group: 3 – processed polymer (internal heat source); 3rd group: 5 – high-potential electrode of the working capacitor; 4 – insulator; X , Y , Z are coordinates of the boundaries of the layers; U р is the voltage at the working capacitor

Наиболее системно-развитой, на сегодняшний день, можно считать полноценную автоматизированную систему научных исследований (АСНИ ВЧ), разработанную в Иркутском государственном университете путей сообщения. Она была окончательно сформирована и обозначена в работах [1; 8; 12; 24–26; 29].

Хронологически были разработаны два варианта АСНИ ВЧ с различной аппаратной частью. В качестве источника электромагнитного излучения использовалась промышленная установка ВЧ-обработки модели УЗП-2500. Разработанный и запатентованный блок автоматизации [4] выполнял регистрацию, обработку и передачу информации. Реализован он был на базе программируемого контроллера ATmega 328.

Необходимо отметить, что данная система помимо аппаратной части обеспечивалась и программной составляющей, состоящей из ряда программных комплексов, реализующих автоматизированное выполнение программ исследования.

Основные принципы построения полнофункциональной аппаратной части АСНИ ВЧ и ее структурная схема для изучения процесса-термообработки полимерных материалов представлена на рис. 10.

Принципиально работа блока организована следующим образом. Одновременно с включением высокочастотного генератора, включаются блок управления и блок автоматизации. Линейный датчик Холла [30; 31] измеряет анодный ток высокочастотного генератора (АТВЧ), а акустические датчики регистрируют частичные разряды (ЧР), возникающие на полимере в процессе ВЧ-обработки. Данные по АТВЧ и ЧР передаются в вычислительное устройство микроконтроллера, собранного на базе процессора «ATmеga8» [2].

Микроконтроллер производит расчет величины изменения анодного тока, времени сушки, межразрядного времени, количества частичных разрядов. Монтаж блока и датчиков осуществлялся без переоборудования существующих электрических схем ВЧ-установок [6; 17; 18; 25; 27].

Интеграция элементов АСУ с привязкой к схеме ВЧ-оборудования модели УЗП-2500 представлена на рис. 11.

Рис. 9. Схема автоматизированной экспериментальной установки по определению амперометрической зависимости диэлектрических потерь в полимерных материалах:

1 – обрабатываемый образец; 2 , 9 – тепло-, электроизоляторы; 3 – электроды рабочего конденсатора; 4 – ВЧ-генератор; 5 – приспособление для контактного нагрева образца; 6 – электронагревательный элемент; 7 – термопара; 7-1 – термопара-термометр; 8 – защитный экран; 8-1 – датчик тока; 10 – вычислительный блок; 11-1 – датчик линейного теплового расширения

• Fig. 9.    Scheme of an automated experimental setup for determining the amperometric dependence of dielectric loss in polymeric materials:

• 1    is a processed sample; 2 , 9 are heat-electric insulators; 3 is for electrodes of the working capacitor; 4 is a HF generator; 5 is a device for contact heating of the sample; 6 is an electric heating element; 7 is a thermocouple; 7-1 is a thermocouple thermometer;

• 8    is a protective screen; 8-1 is a current sensor; 10 is a computing unit; 11-1 is a linear thermal expansion sensor

Fig. 10. Block diagram of the ASSR HF hardware:

1 is an automation unit; 2 is a shielding case; 3 is a coaxial cable; 4 is a constant voltage source; 5 is a high-frequency generator; 6 is an alarm control system; 7 is a generator control circuit; 8 is an actuator;

9 is a linear current sensor; 10 is a computing device; 11 are acoustic sensors for detecting partial discharges;

12 is a computing device; 13 is anti-interference housing; 14 is power supply; 15 is a variable capacitor;

16 is a microcontroller; 17 is a working capacitor

Рис. 10. Структурная схема аппаратной части АСНИ ВЧ:

• 1    – блок автоматизации; 2 – экранирующий корпус; 3 – коаксиальный кабель; 4 – источник постоянного напряжения; 5 – высокочастотный генератор; 6 – система управления сигнализацией;

• 7 – цепь управления генератором; 8 – исполнительный механизм; 9 – линейный токовый датчик; 10 – вычислительное устройство; 11 – акустические датчики регистрации частичных разрядов; 12 – вычислительное устройство; 13 – помехозащищенный корпус; 14 – блок питания;

15 – переменный конденсатор; 16 – микроконтроллер; 17 – рабочий конденсатор

Блок устройства регистрации и управления был реализован со следующими техническими характеристиками:

– количество каналов измерений – 6;

– измеряемый ток – 0,01...10 AC, VC;

– измеряемое напряжение – 100...4000 V AC;

– интервал измерений – 0,005 с (возможно расширение до 8,10–6 с);

• –    максимальная погрешность измерения – ±1,5 %;

• –    память энергонезависимая – 64 Кб;

  – питание –100...380 в VC;

• –    потребляемая мощность – 50 мА.

Как упоминалось выше, наряду с разработанными АСНИ ВЧ коллективом ИрГУПС, ряд других научных школ работают в том же направлении, поэтому, в рамках аппаратной части, созданной этими коллективами, просматриваются как схожие, так и оригинальные разработки и решения. Программные части АСНИ ВЧ также представлены рядом математических моделей и комплексами программного обеспечения.

Таким образом, анализ структуры разработанных систем научного исследования, позволяет говорить о динамическом ее развитии. На сегодняшний день, сопоставив результаты исследований, можно утверждать, что построение комплексной системы АСНИ ВЧ в целом завершено. Как видно из представленных ниже блок-схем систем автоматизированного эксперимента и автоматизированных исследований, они хоть и создавались разрозненно, конкретно под определенные задачи, но во всех работах просматривается определенная методика построения.

ДАТЧИК ТОКА

Переменный ток

Рис. 11. Интеграция элементов АСУ с привязкой к схеме ВЧ установки модели УЗП-2500

Fig. 11. Integration of ACS elements with reference to the HF scheme of the installation of the model UZP-2500

Заключение. Таким образом, анализ структуры разработанных систем научного исследования позволяет сделать вывод о том, что динамическое развитие САНИ и САЭ различными научными школами электротермистов привело к единообразной методологии построения АСНИ ВЧ.

Сопоставив результаты исследований, можно утверждать, что построение комплексной системы АСНИ ВЧ полярных термопластичных полимерных материалов в целом завершено.