Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках
Предложен алгоритм измерения подводимого радиационного теплового потока (РТП) в процессе нагрева теплозащитного материала на установках лучистого нагрева. Установлена взаимосвязь показаний распределенного датчика РТП с показаниями термопар в образце. Разработана конструкция сенсора, предложен алгори...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Datum: | 2006 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61433 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках / Г.Ф. Горностаев, В.В. Пасичный, Г.В. Ткаченко // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 4. — С. 90-96. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61433 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Горностаев, Г.Ф. Пасичный, В.В. Ткаченко, Г.В. 2014-05-05T10:54:15Z 2014-05-05T10:54:15Z 2006 Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках / Г.Ф. Горностаев, В.В. Пасичный, Г.В. Ткаченко // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 4. — С. 90-96. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61433 536.3:681.586.5 Предложен алгоритм измерения подводимого радиационного теплового потока (РТП) в процессе нагрева теплозащитного материала на установках лучистого нагрева. Установлена взаимосвязь показаний распределенного датчика РТП с показаниями термопар в образце. Разработана конструкция сенсора, предложен алгоритм измерения и регулирования положения торца оплавляемого электрода в установке плазменного распыления порошков. Запропоновано алгоритм вимірювання радіаційного теплового потоку (РТП), що підводиться в процесі нагріву теплозахисного матеріалу на установках променевого нагріву. Встановлено взаємозв’язок показань розподіленого датчика РТП з показаннями термопар у зразку. Розроблено конструкцію сенсора, запропоновано алгоритм вимірювання і регулювання положення торця електроду, що оплавляється в установці плазмового розпилення порошків. The algorithm is proposed for the measurement of supplied radiative thermal flow (RTF) in the process of the heating of heatreflecting material in the installations of radiant heating. The interconnection of the indications of the distributed RTF sensor and the indications of the thermocouples located within a sample is determined. Sensor construction, algorithm of coordinate measurement and regulation the position of the end of electrode being melted are proposed for the installation of plasma powder spraying. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках Distribution of sensors intended for radiant flux diagnostics in high temperature installations Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках |
| spellingShingle |
Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках Горностаев, Г.Ф. Пасичный, В.В. Ткаченко, Г.В. Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов |
| title_short |
Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках |
| title_full |
Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках |
| title_fullStr |
Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках |
| title_full_unstemmed |
Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках |
| title_sort |
распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках |
| author |
Горностаев, Г.Ф. Пасичный, В.В. Ткаченко, Г.В. |
| author_facet |
Горностаев, Г.Ф. Пасичный, В.В. Ткаченко, Г.В. |
| topic |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов |
| topic_facet |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Distribution of sensors intended for radiant flux diagnostics in high temperature installations |
| description |
Предложен алгоритм измерения подводимого радиационного теплового потока (РТП) в процессе нагрева теплозащитного материала на установках лучистого нагрева. Установлена взаимосвязь показаний распределенного датчика РТП с показаниями термопар в образце. Разработана конструкция сенсора, предложен алгоритм измерения и регулирования положения торца оплавляемого электрода в установке плазменного распыления порошков.
Запропоновано алгоритм вимірювання радіаційного теплового потоку (РТП), що підводиться в процесі нагріву теплозахисного матеріалу на установках променевого нагріву. Встановлено взаємозв’язок показань розподіленого датчика РТП з показаннями термопар у зразку. Розроблено конструкцію сенсора, запропоновано алгоритм вимірювання і регулювання положення торця електроду, що оплавляється в установці плазмового розпилення порошків.
The algorithm is proposed for the measurement of supplied radiative thermal flow (RTF) in the process of the heating of heatreflecting material in the installations of radiant heating. The interconnection of the indications of the distributed RTF sensor and the indications of the thermocouples located within a sample is determined. Sensor construction, algorithm of coordinate measurement and regulation the position of the end of electrode being melted are proposed for the installation of plasma powder spraying.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61433 |
| citation_txt |
Распределенные датчики для диагностики лучистых потоков в высокотемпературных установках / Г.Ф. Горностаев, В.В. Пасичный, Г.В. Ткаченко // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 4. — С. 90-96. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gornostaevgf raspredelennyedatčikidlâdiagnostikilučistyhpotokovvvysokotemperaturnyhustanovkah AT pasičnyivv raspredelennyedatčikidlâdiagnostikilučistyhpotokovvvysokotemperaturnyhustanovkah AT tkačenkogv raspredelennyedatčikidlâdiagnostikilučistyhpotokovvvysokotemperaturnyhustanovkah AT gornostaevgf distributionofsensorsintendedforradiantfluxdiagnosticsinhightemperatureinstallations AT pasičnyivv distributionofsensorsintendedforradiantfluxdiagnosticsinhightemperatureinstallations AT tkačenkogv distributionofsensorsintendedforradiantfluxdiagnosticsinhightemperatureinstallations |
| first_indexed |
2025-11-26T01:15:50Z |
| last_indexed |
2025-11-26T01:15:50Z |
| _version_ |
1850597785333661696 |
| fulltext |
90 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
РТП – радиационный тепловой поток;
УФ – ультрафиолет;
A21 – вероятность спонтанного излучения частиц:
2 → 1;
B12 – вероятность квантового перехода из состоя;
ния 1 в состояние 2;
B21 – коэффициент стимулированного или вы;
нужденного излучения (2 → 1);
Dди – диаметр диафрагмы;
D1 – диаметр сердцевины световода;
f – функция;
H – высота диафрагмы;
Jфп – плотность лучистого потока на приемнике;
Jwr – падающий лучистый поток на датчик РТП;
k – постоянная Больцмана;
kсв – коэффициент поглощения материала световода;
L – длина оптоволокна;
N1, N2 – количество частиц на невозбужденных
уровнях 1 и 2;
NA – числовая апертура световода;
n – показатель преломления;
P – мощность Рэлеевского рассеяния;
Р0 – подводимая мощность излучения;
Рw – мощность потока излучения, упавшего на
открытую сердцевину оптоволокна;
Q – часть рассеянной энергии, перехваченной
оптоволокном;
qсвw – средняя по сечению диафрагмы плотность
лучистого потока, расчитанная по показа;
ниям датчика;
R – фотосопротивление;
Sw – площадь освещенной боковой поверхности
сердечника световода;
T – абсолютная температура;
tНА – время нарастания;
tСП – время спада;
U(ω12) и U (ω21) – энергия излучения на частоте в
единичном интервале частот;
XБО – длина оптоволокна без оболочки;
X0 – расстояние приемника до оси стеклянного
световода; линейная координата вдоль бо;
ковой поверхности оптоволокна;
αw – угол падения лучей, град;
β – сжимаемость;
ΔR = (Rл–Rп) – разность показаний фотосопро;
тивлений, установленных на 2;х
торцах оптоволокна;
δ – расстояние торца стеклянного световода от
боковой поверхности сердцевины кварцево;
го оптоволокна;
Запропоновано алгоритм вимірю�
вання радіаційного теплового потоку
(РТП), що підводиться в процесі нагріву
теплозахисного матеріалу на установках
променевого нагріву. Встановлено
взаємозв’язок показань розподіленого
датчика РТП з показаннями термопар у
зразку. Розроблено конструкцію сенсо�
ра, запропоновано алгоритм вимірю�
вання і регулювання положення торця
електроду, що оплавляється в установці
плазмового розпилення порошків.
Предложен алгоритм измерения
подводимого радиационного теплового
потока (РТП) в процессе нагрева тепло�
защитного материала на установках лу�
чистого нагрева. Установлена взаимо�
связь показаний распределенного
датчика РТП с показаниями термопар в
образце. Разработана конструкция сен�
сора, предложен алгоритм измерения и
регулирования положения торца оплав�
ляемого электрода в установке плаз�
менного распыления порошков.
The algorithm is proposed for the meas�
urement of supplied radiative thermal flow
(RTF) in the process of the heating of heat�
reflecting material in the installations of radi�
ant heating. The interconnection of the indi�
cations of the distributed RTF sensor and the
indications of the thermocouples located
within a sample is determined. Sensor con�
struction, algorithm of coordinate measure�
ment and regulation the position of the end
of electrode being melted are proposed for
the installation of plasma powder spraying.
УДК 536.3:681.586.5
ГОРНОСТАЕВ Г.Ф., ПАСИЧНЫЙ В.В.,
ТКАЧЕНКО Г.В.
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины
РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
ЛУЧИСТЫХ ПОТОКОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ
УСТАНОВКАХ
I. Высокая прозрачность современных кварце;
вых оптоволокон (ОВ) объясняется их нейтраль;
ностью (до определенного предела) по отноше;
нию к падающей лучистой энергии.
Состояние квантовой системы в энергетичес;
ком отношении характеризуется уравнением [1]
U(ω12)B12N1 = A21N2 + U(ω21)B21N2 . (1)
Левая часть выражения (1) характеризует по;
глощение квантов энергии и переход частиц на
верхний энергетический уровень ; 2 (уровень 1 –
невозбужденный энергетический уровень).
Когда N2 ≅ N1, U(ω21)B21N2 = 0 и B12 ≅ B21 сис;
тема является нейтральной по отношению к па;
дающей на нее энергии. Если система находится
в состоянии, когда N2 > N1, она описывается пол;
ным выражением (1) и становится излучающей.
Если ее не поддерживать с помощью внешнего
возбуждающего излучения, она будет неустойчи;
вой. Современные ОВ изготавливаются главным
образом из химически чистой SiO2 (возможно, с
необходимыми присадками). Они содержат не;
большую составляющую гидроксильной группы
ОН, которая заметно поглощает на длинах волн
1,38…1,41 мкм (хотя из;за ангармонизма колеба;
тельных процессов в ионе ОН могут возникать
обертоны, что приведет к появлению поглощения
на λ = 0,72, 0,95 и 1,36 мкм и комбинационных
пиков поглощения на λ = 0,88; 1,13 и 1,24 мкм).
Считают [1], что затухание света в среде SiO2
происходит только вследствие рассеяния на не;
однородностях. В веществах, из которых изготав;
ливают современные ОВ, существуют только не;
однородности, размер которых много меньше
длины волны – это пространственные флуктуа;
ции показателя преломления порядка размера
молекул, а также сами молекулы. Мощность Рэ;
леевского рассеяния в чистом веществе равна
Конкретная часть рассеянной энергии, пере;
хватываемая оптическим волокном, определяет;
ся из выражения
Q = (NA)2/4n10
2.
Рэлеевское рассеяние происходит во все сто;
роны, поэтому часть излучения рассеяния прохо;
дит сквозь оболочку волокна и покидает его.
В одномодовых волокнах нагрев от 20 до
140 оС приводит к уменьшению коэффициента
пропускания (~ 5 %) за счет изменения модовой
структуры [2]. Перепады температуры окружаю;
щей среды так же вносят анизотропию в среду
распространения излучения, вследствие чего в
одномодовых оптоволокнах возникают дополни;
тельные шумы и потери. Это обуславливает вы;
бор в качестве чувствительного элемента датчика
РТП многомодового кварцевого оптоволокна
(диаметр сердечника 0,4 мм).
Рэлеевское рассеяние обусловлено мелкомас;
штабными флуктуациями (по сравнению с λ)
плотности или химического состава вследствие
0 4
2
kT dn
P P n
d
⎛ ⎞= β ρ⎜ ⎟ρλ ⎝ ⎠
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 91
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
λ – длина волны излучения;
ρ – плотность;
τэ(X0, αw) – “эффективный” коэффициент про;
пускания сердцевины;
– среднее по длине XБО значение;
ω – оптическая частота.
Индексы
А, Б, В, Г – последовательные значения;
БО – без оболочки;
ДИ – диафрагма;
на – нарастание;
с – световой;
св – кварцевый световод;
сп – спад;
ст – стеклянный световод;
т – темновой;
фп – фотоприемник;
э – “эффективный”;
m – максимум;
г – радиционный;
w – боковая поверхность;
0 – ось;
1 – уровень 1;
2 – уровень 2;
10 – сердцевина;
12 переход 1 → 2;
21 – переход 2 → 1.
эτ
неравновесных состояний, возникающих в мо;
мент стеклования. Неоднородности вызывают
почти изотропное Рэлеевское рассеяние (λ ≤ 1,55
мкм). Для λ ≤ 1,2 мкм ход Рэлеевских потерь мо;
нотонно (~λ–4) убывающий [3]. Поглощение
энергии компонентами вещества световода ведет
к квантовым переходам между различными элек;
тронными и молекулярными (колебательными)
энергетическими уровнями вещества. Электрон;
ные переходы в чистом плавленом кварце соот;
ветствуют энергии квантов, относящихся к УФ ;
диапазону (ширина запрещенной зоны соответ;
ствует λ = 0,14 мкм).
Основные потери в кварцевом ОВ вызваны
упругим Рэлеевским рассеянием, при котором не
происходит изменения длины волны подводимо;
го излучения. Подводимое излучение возбуждает
мелкомасштабные неоднородности в волокне,
которые действуют как вторичные индуцирован;
ные дипольные излучатели, генерирующие излу;
чение в широком угловом спектре. Световод с
конечной числовой апертурой захватывает часть
рассеянного излучения и канализирует его по на;
правлению к торцам световода. При формирова;
нии полного рассеянного поля в обоих направле;
ниях излучения от каждого элементарного
рассеивателя суммируются векторно (образуя
преимущественно моды оболочки и вытекающие
моды). Следовательно, если в контуре оптово;
локна будут отсутствовать дестабилизирующие
возмущения, то амплитуда и фаза рассеянного
поля будут стабильны во времени. Поэтому, в
принципе, рассеянные волны могут обладать не;
которой степенью когерентности относительно
первичных (подводимых) световых волн.
Сравнительно небольшой вклад в общие потери
вносит поглощение при взаимодействии фотонов
с электронами или с колебательными состояния;
ми основных компонентов материала сердцевины
световода. Для кварца это поглощение существен;
но возрастает при λ > 1,7 мкм и для УФ – области
спектра [4]. Минимум потерь в кварцевых светово;
дах определяется только фундаментальными меха;
низмами, а не примесями и дефектами, и прихо;
дится на спектральную область 1,2–1,7 мкм [5].
Уникальны свойства кварцевых волоконных
световодов. Это в первую очередь огромная луче;
вая прочность кварцевого волокна, достигающая
нескольких десятков гигаватт через квадратный
сантиметр, а также идеальные тепловые характе;
ристики волокна как за счет свойств самого квар;
цевого стекла, так и благодаря уникальному от;
ношению площади поверхности к объему
рассеивающей среды.
Использование на оптических печах распреде;
ленного датчика – с боковым освещением оптово;
локна позволит реализовать автоматическое управ;
ление режимами нагрева исследуемого материала.
Основные положения методики измерения
концентрированного РТП на установках лучи;
стого нагрева с помощью распределенного во;
локонно;оптического датчика на Рэлеевском
рассеянии можно представить следующим об;
разом.
1. Обеспечение инвариантности результатов
измерений РТП к тепловому излучению образца
путем установки датчика над диафрагмой (прове;
ряется в моменты кратковременного перекрыва;
ния потока Jwr модулятором).
2. Исключение нагрева тела световода погло;
щенной частью Jwr обеспечивается подбором ми;
нимального значения параметра (D1kсв).
3. Достоверность результатов измерений обес;
печивается градуировкой датчика РТП с помо;
щью водяного калориметра.
4. Оптимизация чувствительности датчика
обеспечивается путем минимизации параметров
Н, X0, XБО, αwm (при αw > 30о потери на отражение
от стекла резко растут [6]). Чем меньше αwm, тем
меньше может быть параметр XБО, т. е. тем ближе
к линейной будет зависимость τэ(X0).
5. Нивелирование влияния параметра wm осу;
ществляется установкой фотоприемников на
обоих торцах световода.
6. Распределение qcbw (X0) может быть измере;
но датчиком РТП с помощью щелевой диафраг;
мы, которая перемещается вдоль оси световода.
Для меридиональных лучей в оптоволокне ос;
новное соотношение распределенного датчика
РТП можно представить в виде (рис. 1 и рис. 3):
0 0( , ) .w wX dX dα α
0 1 БО
фп 0
00 1
0,5 ( , )
X X X w wm
wr w э
X X w
J J X
= + α =α
= α =
= α τ∫ ∫
92 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
×
×
Теоретический расчет затруднен из;за отсутствия
данных о реальном распределении параметров
Jwr (X0, w) и τэ(X0, αw). Можно пользоваться упро;
щенной формулой Jфп = Jw , где для конус;
ного пучка был определен экспериментально по
методике, проиллюстрированной на рис. 1.
Обобщенный параметр учитывает как мериди;
ональные, так и косые лучи.
С целью исследования метрологических воз;
можностей датчика проведены модельные экспе;
рименты на установке, показанной на рис. 1. На
участке гибкого световода XБО были сняты обе
полимерные оболочки и кварцевая сердцевина
освещалась вольфрамовой лампой (150 Вт), уста;
новленной в центре полусферического концент;
ратора диаметром 200 мм. Освещение датчика
конусным пучком осуществлялось через жесткий
стеклянный световод ∅ 1 мм. Используя полу;
ченную раннее энергетическую характеристику
фотоприеника, выполнен расчет τэ по следую;
щей методике.
Jw = Jфпс (Rc) – Jфпт (Rт) = 2 · 996 · 10–4 Вт/см2;
Pw = Jwr · Sw = 3 · 77 · 10–6 Вт;
JФПА (Х0 = 1,5 мм) = 2 · 9 · 10–10 Вт,
JФПБ (Х0 = 10 мм) = 1,52 · 10–10 Вт,
JФПВ (Х0 = 20 мм) = 0,75 · 10–10 Вт,
JФПГ (Х0 = 28,5 мм) = 0,54 · 10–10 Вт.
τЭА = 0,71 · 10–4, τЭБ = 0,4 · 10–4,
τЭВ = 0,2 · 10–4, τЭГ = 0,14 · 10–4,
= 0,375 · 10–4.
Чем меньше Х0, тем ближе к истинному зна;
чению.
На установке “Кристалл – М” три ксеноновые
лампы с концентраторами (диаметром 0,6 м) рас;
положены под углом 120о. Датчик установлен над
водоохлаждаемой диафрагмой, рис. 2. Аналого;
вый сигнал датчика РТП выводился на экран
персонального компьютера вместе с показания;
ми термопары, расположенной в поверхностном
слое исследуемого материала. Целесообразно ус;
танавливать фотоприемники на обоих торцах
световода. Ток на лампах последовательно увели;
чивался: 0 – 50 – 100 – 150 А. Для каждого значе;
ния тока сигнал датчика был постоянен (рис. 3, а).
Изменение температуры нагретой поверхности
образца (Ni – Carbon), расположенного под диа;
фрагмой, коррелирует с показаниями датчика
РТП. Аналогичная картина имела место при после;
довательном снижении тока 150 – 100 – 50 – 0 А.
Используя значения , получены значения
мощности потока, упавшего на боковую поверх;
ность световода (13,6 Вт), и средней плотности
подводимого потока (330 Вт/см2) в пятне диаме;
тром, равным XБО = 65 мм, при токе на трех лам;
пах по 150 А. Коэффициент пересчета на плот;
ность потока, прошедшего через отверстие в
диафрагме, определяется путем сравнения с по;
казаниями водяного калориметра.
Условия испытаний были следующие: H = 12 мм,
D1 = 0,4 мм, Lсв = 1000 мм; XБО = 65 мм, Dди = 10 мм,
λm = 0,78 мкм.
На рис. 3, б хорошо видно, что после всплеска
РТП, зафиксированного с помощью датчика, на;
блюдается плавный рост температуры образца
(tНА), а при резком снижении РТП – плавное
уменьшение температуры (tСП).
II. При плазменном распылении порошков
(ПРП) целью автоматического контроля оплав;
ления электрода и управления его подачей явля;
ется оптимизация производительности и энерго;
затрат процесса. Ввиду сложности контроля
процесса, протекающего в вакуумной установке
и сопровождающегося интенсивным разбрызги;
эτ
эτ
эτ
эτ
эτэτ
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 93
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 1. Схема модельного эксперимента:
(1 – лампа, 2 – отражатель ∅∅ 200 мм,
3 – диафрагма, 4 – кварцевый световод ∅∅1 мм в
оболочке, 5 – жила световода ∅∅ 0,4 мм,
6 – приемник, 7 – стеклянный световод ∅∅ 1 мм;
Lст 20 мм, Lcв = 1000 мм; δδ = 1,5 мм, XБО = 30 мм,
X0 = 850 мм).
ванием жидких металлических капель, управле;
ние подачей электрода осуществляется, как пра;
вило оператором. Однако оператор не в состоя;
нии быстро реагировать на резкие изменения
скорости оплавления, вызванные наличием ло;
кальных дефектов в материале электрода. Это
может реализовать только автоматическая систе;
ма управления. Проектирование устройства для
автоматического контроля за оплавлением элек;
трода основано на экспериментальных оценках
чувствительности волоконно;оптического дат;
чика к линейному перемещению торца светового
имитатора электрода. Имитатор представляет со;
бой трубу из матового стекла (∅ 50 мм), осве;
щенную изнутри лампой мощностью 100 Вт.
Изображение торца имитатора через объектив и
гибкий волоконно;оптический жгут диаметром
13 мм × 1000 мм с регулярной укладкой волокон
проецируется на боковую поверхность световода
∅ 1 мм × 80 мм (рис. 4, а). На обоих торцах свето;
вода установлены фотосопротивления. С помо;
щью специального кожуха световодный датчик и
выходной торец жгута светозащищены от фоно;
вого излучения. Применение гибкого волокон;
но;оптического жгута позволяет обеспечить па;
раллельность пучка, падающего на боковую
поверхность световода, что исключает зависи;
мость величины светового потока на фотоприем;
ник от угла падения пучка на боковую поверх;
ность световода. Кроме этого, применение жгута
для передачи изображений позволяет визуализи;
ровать контур электрода, что существенно облег;
чает процесс градуировки на имитаторе, а также
процесс юстировки сенсора на реальном объекте.
Справа от светящегося торца имитатора распола;
гался объектив, в фокальной плоскости объекти;
ва располагался входной торец световодного жгу;
та для передачи изображения. Взаимное
расположение торца имитатора и объектива со;
ответствовало расположению торца электрода и
смотрового окна установки плазменного распы;
ления порошков в ИПМ НАН Украины. Установ;
лено, что при сочетании длиннофокусного объек;
тива с волоконно;оптическим жгутом ∅ 13 мм,
большая ось эллипса изображения составляет
70 % выходного диаметра жгута; линейное пере;
мещение границы контура изображения вдоль
малой оси эллипса составляет в среднем 0,1 мм
на 1 мм продольного перемещения имитатора;
при продольном перемещении имитатора на де;
сятки миллиметров граница изображения его
торца уходит за пределы диаметра выходного се;
чения световодного жгута.
При оплавлении электрода одновременно бу;
дут изменяться следующие признаки изображе;
ния его торца на выходном сечении световодно;
го жгута: кривизна контура (отличие от круга) –
ск; масштаб изображения – см; координаты рас;
положения контура – ср. Влияние “ веера” ка;
пель вокруг торца электрода на “размытость”
контура изображения можно нивелировать час;
тотным фильтром. Таким образом, совокупность
признаков изображения оплавляемого торца эле;
ктрода можно представить в виде вектора при;
знаков С = F[b(X,Y)] = (cк, cм, ср), где b(X,Y) – дву;
мерная функция изображения торца электрода.
Непосредственная обработка изображения с це;
лью классификации всех дискретных значений
двумерной функции изображения b(X,Y) не це;
лесообразна [7]. При измерениях и контроле
важнее селективное выделение информации, ха;
рактеризующей различие между отдельными час;
тями этого изображения. В данном случае вектор
С можно классифицировать как расстояние вер;
тикальной оси эллипса изображения торца ими;
татора от середины (X = 0) световода. Это рассто;
яние можно определить, предварительно
94 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 2. Схема эксперимента на установке
“КристаллEМ”: (Н = 12 мм, Dди = 10 мм,
Jwr – падающий поток, ααwm – максимальный угол
падения лучей): 1 – жила световода;
2 – оптоволокно в оболочке, 3 фотоприемник,
4 – черный лак, 5 – диафрагма, 6 – образец.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 95
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
а б
а б
Рис. 3. Изменение потока qсвw (1) на жилу оптоволокна и температуры (2) в поверхностном слое ТЗМ
(Ni – Carbon): а – при ступенчатом увеличении тока накала трех ламп;
б – при изменении РТП (tНА и tСП – время увеличения и уменьшения РТП);
Рис. 4. Датчик для системы управления подачей электрода в установке ПРП:
а – конструкция датчика ( 1, 2 – фоторезисторы, 3 – волоконноEоптический жгут,
X – координата вдоль оси световода; Y0 – вертикальная ось изображения ;
4 – световод ∅∅ 1 мм, 5 – контур изображения торца имитатора, 6 – ось световода,
7 – объектив, 8 – мостовая схема, 9 – усилитель, 10 – дискриминатор, 11 – двигатель подачи
электрода, 12 – имитатор); б – статическая характеристика датчика: зависимость разницы
фотосопротивления ΔΔRлWп от расстояния ΔΔX оси Y0 эллипса изображения до середины световода.
получив на имитаторе градуированную зависи;
мость: ΔRл;п = f(ΔX).
Полученная зависимость (рис. 4, б) свидетель;
ствуют, что чувствительность сенсора к продоль;
ному перемещению торца имитатора: 1 кОм/мм.
Алгоритм управления подачей электрода в уста;
новке ПРП может состоять в следующем. При
включении двух фотосопротивлений в измери;
тельную схему с двумя источниками питания ре;
зультирующий электрический ток будет менять
полярность (направление) в зависимости от то;
го, Rл > Rп или Rл < Rп . Этот ток после усиления
и нормирования уровня подается на двигатель
подачи электрода. Алгоритм регулирования по;
дачи электрода: Rл – Rп → 0.
Выводы
1. Доказана возможность измерения концент;
рированного лучистого потока, падающего на бо;
ковую поверхность неохлаждаемого кварцевого
оптоволокна ∅ 0,4 мм, используя эксперименталь;
но определенный параметр . Получено основное
уравнение для распределенного датчика РТП, а
также упрощенное соотношение для практическо;
го использования. Датчик РТП на Рэлеевском рас;
сеянии использовался при испытании теплоза;
щитных материалов на установке “Кристалл;М”.
2. Разработана конструкция сенсора с бо;
ковым освещением оптоволокна для контро;
ля положения торца оплавляемого электрода
в установке ПРП. Используя световой имита;
тор электрода, получена линейная статичес;
кая характеристика датчика. Предложены ме;
тодика и алгоритм управления подачей
электрода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Скляров О.К. Современные волоконно;оп;
тические системы передачи. – М.: СОЛОН;Р,
2001. – 237 с.
2. Бутусов В.М., Верник С.М. Волоконно;оп;
тические системы передачи. – М.: Радиосвязь,
1992. – 250 с.
3. Бутусов М.М., Галкин С.П., Оробинский С.П.
Волоконная оптика и приборостроение. – Л.:
Машиностроение, 1987. – 320 с.
4. Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г.
Световодные датчики. – М.: Машиностроение,
1990. – 250 с.
5. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М.
Введение в оптоэлектронику. – М.: Высшая шко;
ла, 1991. – 191 с.
6. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика све;
товодов. – Л.: Машиностроение, 1977. – 310 с.
7. Шмидт Д., Шварц В. Оптоэлектронные
сенсорные системы. – М.: Мир, 1991. – 96 с.
Получено 01.11.2005 г.
эτ
96 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
|