Оптико-электронные методы тестирования систем измерения температурно-скоростных параметров частиц при плазменном напылении порошковых покрытий

УДК 535.233.43/536.52

В.И. Иордан, А.А. Соловьев

Оптико-электронные методы тестирования систем измерения температурно-скоростных параметров частиц при плазменном напылении порошковых покрытий

V.I. Jordan, A.A. Soloviev

Opto-electronic Methods to Test Systems for Measuring Temperature and Speed Parameters of Particles in a Process of Powder Coating Plasma Spraying

Рассмотрены проблемы, связанные с верификацией оптических методов анемометрии и методов спектральной пирометрии гетерогенных потоков. Приведены структурные схемы оптико-электронных устройств, позволяющих имитировать тепловое излучение потоков частиц с заданными распределениями скоростей и температур и предназначенных для тестирования пирометрических измерительных комплексов.

Ключевые слова: напыление покрытий, измерение,

скорость, температура, гетерогенный поток.

Введение. В настоящее время для гетерогенной плазмохимии и физического материаловедения большой интерес представляют такие наукоемкие технологии, как плазменное, детонационно-газовое, газопламенное напыление покрытий с помощью микрокапель расплавов различных порошковых материалов (путем их соударения с напыляемой поверхностью), а также электродуговая металлизация, микрораспыление порошков, микропайка в электронике, получение микрокристаллических и аморфных материалов, высокотемпературных сверхпроводников [1].

Ограничиваясь рассмотрением плазменного напыления покрытий, для прогнозирования свойств получаемого материала в технологической цепочке «плазмотрон-струя-покрытие» необходимо учитывать характерные особенности процесса напыления: малые размеры частиц (микрокапель), широкий диапазон скоростей и температур их взаимодействия с поверхностью. Однако для прогнозирования функциональных характеристик покрытия (пористость, шероховатость поверхности, адгезия, когезия и др.) нужно измерять не только диапазоны скоростей и температур частиц, но еще более важным является определение распределений частиц расплава по скоростям и температурам в плазменной струе.

Наиболее пригодны для исследования температурно-скоростных параметров гетерогенных потоков частиц среди методов неразрушающего контроля и измерений методы оптической анемометрии для измерения скорости многофазных потоков частиц и методы спектральной пирометрии для изме-

The article considers the problems connected with verification of anemometry optical methods and methods of spectral pyrometry of heterogeneous flows. Structural diagrams of optiko-electronic devices capable to simulate thermal radiation of particle flows under the preset distribution of speed and temperature, and intended to test the pyrometric measuring systems are resulted.

Key words: spraying of coatings, measurement, speed,

temperature, heterogeneous flow.

рения температуры этих частиц [2, с. 5-28]. Методы спектральной пирометрии характеризуются достаточно высокой точностью измерения температуры в случае однородно нагретых частиц конденсированной фазы, определяемой по их равновесному тепловому излучению [3, с. 75-77].

Быстропротекающие многофазные потоки частиц, использующиеся при напылении порошковых покрытий и характеризующиеся существенной динамической и тепловой неравновесностью фаз, могут иметь существенную неоднородность распределений частиц по размерам, температурам и скоростям. Поэтому при измерении скорости и температуры частиц недостаточно получать лишь одну «осред-ненную» оценку скорости и одну «осредненную» оценку температуры, так как на свойства формируемого покрытия оказывает влияние характер распределений частиц по скоростям и температуре.

В работах [4, с. 158-167; 5, с. 79-87; 6, с. 69-76] апробированы методы, применяющие линейные фотоприемники для регистрации интенсивности и интегрального спектра теплового излучения частиц в различных сечениях гетерогенного потока при напылении покрытий, в результате чего программной обработкой определяются распределения частиц по скоростям и температурам. Однако восстановление распределений частиц по скоростям и температурам на основе зарегистрированных сигналов интенсивности теплового излучения и интегрального спектра теплового излучения частиц, по своей сути, является «некорректной обратной» за-

дачей, решение которой традиционно сопряжено с определенными трудностями и достигается применением процедур «регуляризации» решений. Достигнутое в процессе регуляризации физически разумное решение всегда характеризуется некоторой степенью «неопределенности» по причине недостаточности априорной информации о задаче и о самом решении. Следовательно, методы оптической анемометрии для определения скорости частиц и методы спектральной пирометрии для измерения температуры этих частиц в быстропротекающих многофазных потоках требуют в этих условиях применения достоверного метода (методики) их верификации. Другими словами, для тестирования систем измерения распределенных температурно-скоростных параметров частиц в многофазном потоке необходимо разработать специальные устройства - управляемые имитаторы теплового излучения потока частиц, которые позволяли бы имитировать тепловое излучение, соответствующее выбранному исследователем варианту распределения из набора определенных тестовых распределений частиц по скоростям и температурам.

1. Оптико-электронная реализация имитатора теплового излучения частиц для тестирования системы измерения температуры потока. На рисунке 1а показана схема экспериментального автоматизированного комплекса для проведения сквозного физического эксперимента, позволяющего по тепловому спектру излучения излучателя оптико-электронного имитатора теплового излучения с заданным тестовым температурным распределением восстанавливать с определенной степенью точности температурное распределение, подобное этому тестовому распределению.

От излучателя 1, управляемого аппаратным обеспечением оптико-электронного имитатора теплового излучения 8, тепловое излучение фокусируется линзой 2 на входную щель спектрального прибора 3, в частности, монохроматора УМ-2. В плоскости линейного фотоприемника 5, закрепленного непосредственно на корпусе УМ-2, фокусируется непрерывный спектр излучения. Поворачивая диспергирующую призму прибора с помощью барабана 4, можно добиться оптимального проецирования спек-

тра теплового излучения на «линейку» активных ячеек фотоприемника 5. В блоке «выделения и обработки сигнала» 6 происходит регистрация сигнала спектра, а затем этот сигнал сохраняется и окончательно обрабатывается в ПЭВМ 7. Конкретный вид и значения параметров тестовой гистограммы температурного распределения, определяющей соответствующее тепловое излучение излучателя оптико-электронного имитатора, задаются специально разработанной прикладной программой.

Структурно-функциональная схема программноаппаратной реализации оптико-электронного имитатора теплового излучения гетерогенных потоков частиц, основная задача которой состоит в преобразовании передаваемой от ПЭВМ цифровой информации о тестовом температурном распределении в соответствующее ему тепловое излучение при помощи излучающих элементов на основе сверхминиатюрных ламп накаливания СМН 6,3-20-2, представлена на рисунке 2. Миниатюрные лампы накаливания СМН 6,3-20-2 с вольфрамовой спиралью, которые наиболее подходят по спектральным и габаритным характеристикам, имеют напряжение питания 6,3 В и диапазон рабочих температур от 25 до 2500 °С. Они сформированы в девять групп по восемь лампочек (рис. 1 б) и размещены симметрично относительно центра окружности радиусом 20 мм. Лампы накаливания в каждой группе соединены последовательно, что обеспечивает протекание одного и того же заданного для этой группы ламп постоянного тока. Следовательно, лампы одной группы будут иметь практически одну и ту же температуру накаливания. Например, если в двух группах ламп задан один и тот же ток, а в других группах ламп - различные значения токов, тогда соответствующая температура этих двух групп ламп в тестовой гистограмме должна иметь высоту столбца гистограммы, в два раза большую, чем остальные столбцы гистограммы тестового распределения. Управляя процессом протекания токов в различных группах ламп, можно реализовать определенные законы из некоторого набора тестовых температурных распределений.

©'

*

фт% \©0@

Рис. 1. Схема автоматизированного комплекса (а) и внешний вид излучателя (б) оптико-электронного имитатора теплового излучения

Рис. 2. Функциональная схема аппаратного обеспечения оптико-электронного имитатора теплового излучения

Рассмотрим процесс функционирования аппаратного обеспечения оптико-электронного имитатора теплового излучения (рис. 2).

Устройство управления (УУ) принимает последовательность данных (пакет данных) от контроллера интерфейса ввода-вывода (КИВВ) и через приемник последовательного кода (ППК) происходит передача этих данных формирователю кода адреса (ФКА) и формирователю кода данных (ФКД). Блок формирователя кода данных формирует адрес, по которому записывается значение параметра скважности ШИМ-сигнала. Он также формирует «целевые» значения ШИМ-сигнала. В формирователь управляющих сигналов (ФУС) поступают значения адреса на вход дешифратора шины адреса (ДША), а значения данных и управляющего сигнала - на вход регистра данных (РД). Формирователь управляющих сигналов производит запись данных по определенному адресу и формируется управляющий сигнал, который поступает на вход усилителя управляющих сигналов (УУС) и далее на излучающие элементы (ИЭ).

Основной функцией контроллера интерфейса ввода-вывода является обеспечение возможности передачи информации от ПЭВМ к оптико-электронному имитатору теплового излучения. В устройстве имитатора применен интерфейс USB. Контроллер интерфейса ввода-вывода реализован на базе наиболее близкой к стандартным интерфейсам микросхемы ИМС FT232RL - микросхемы сопряжения периферийных устройств, получающей данные от ПЭВМ и формирующей сигналы на линии передачи данных. Устройство управления реализовано на основе 8-битного RISC-микроконтроллера ATMega88 семейства Mega AVR фирмы Atmel, так как он обладает развитой периферией, достаточным объемом памяти программ и данных, имеет необходимое количество портов ввода-вывода и поддерживает внутрисхемное программирование. Входными величинами для формирователя управляющих сигналов являются цифровые сигналы, выходной величиной - аналоговый сигнал. Для преобразования сигналов из цифровой в аналоговую форму применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), т.е. аналоговая величина на выходе пропорциональна скважности управляющего ШИМ-сигнала.

Устройство оптико-электронного имитатора теплового излучения реализовано и проведены его пробные испытания, в которых на тепловых спектрах

излучения регистрировались изменения в результате изменения (регулирования) протекающих в различных группах ламп токов (из-за изменения тестового температурного распределения), тем самым подтверждается его функциональное назначение.

2. Оптико-электронная реализация имитатора быстропротекающего импульсного гетерогенного потока частиц для тестирования системы измерения скорости потока частиц. Общая схема автоматизированного комплекса, позволяющего проводить эксперименты по тестированию системы измерения скорости быстропротекающего импульсного гетерогенного потока частиц, изображена на рисунке 3 [4, с. 158-167]. Имитатор быстропротекающего импульсного гетерогенного потока частиц (ИБИТПЧ) 1 управляет процессом последовательного зажигания и гашения миниатюрных ламп накаливания, сгруппированных в виде линейки 4. С линейки фотоприемников 5, регистрирующей движущийся фронт теплового излучения, соответствующие сигналы передаются в многоканальную измерительную систему 2, которая передает в ПЭВМ 3 измерительную информацию в цифровом представлении для программной обработки и определения скорости движущегося фронта теплового излучения, имитирующего движение частиц импульсного гетерогенного потока.

Рис. 3. Схема автоматизированного комплекса для тестирования системы измерения скорости потока частиц: 1 - имитатор быстропротекающего импульсного гетерогенного потока частиц;

2 - система измерения скорости частиц;

3 - ПЭВМ; 4 - управляемая линейка ламп накаливания; 5- линейка фотоприемников

Структурно-функциональная схема программноаппаратной реализации имитатора быстропроте-кающего импульсного гетерогенного потока частиц, основная задача которой состоит в преобразовании передаваемой от ПЭВМ цифровой информации о тестовом законе распределения частиц по скоростям в соответствующий ему закон управления зажиганием и гашением сверхминиатюрных ламп накаливания СМН 6,3-20-2, показана на рисунке 4.

Рис. 4. Структурно-функциональная схема программно-аппаратной реализации имитатора быстропротекающего импульсного гетерогенного потока частиц

В состав имитатора быстропротекающего импульсного гетерогенного потока частиц входит контроллер интерфейса ввода-вывода, при помощи которого осуществляется связь с персональным компьютером. Контроллер интерфейса ввода-вывода преобразует интерфейс ШВ в интерфейс Я8-232. Асинхронный приемник (АП) получает данные от контроллера интерфейса ввода-вывода и записывает их в регистр состояния (РС) и сдвиговый регистр (СР). В регистре состояния хранится управляющее слово, которое определяет коэффициент деления для делителя частоты (ДЧ) и задает способ работы имитатора. Делитель частоты такти-

руется от генератора (Г) и формирует тактовые сигналы для асинхронного приемника и сдвигового регистра. Сигнал тактирования асинхронного приемника фиксирован и кратен скорости обмена 19200 бод. Имитация потока частиц происходит за счет сдвига в сдвиговый регистр загруженного оператором битового шаблона. Сигнал тактирования сдвигового регистра определяет имитируемую скорость потока частиц. Параллельный выход сдвигового регистра подключен к усилителю управляющих сигналов, который усиливает цифровые управляющие сигналы до уровня, достаточного для питания ламп накаливания. Кроме того, усилитель управляющих сигналов позволяет задать ток смещения, что будет выражено в фоновой яркости ламп накаливания. Таким образом, лампы зажигаются и гаснут последовательно, за счет чего создается эффект перемещения группы частиц.

Заключение. Рассмотренные в настоящей статье оптико-электронные методы тестирования систем измерения температурно-скоростных параметров частиц при напылении защитных покрытий способствуют совершенствованию самих методов измерения температурно-скоростных параметров столь сложных быстропротекающих процессов, а также они позволяют повысить надежность и точность этих измерений. Наряду с совершенствованием методов измерений, калибровки и методов их тестирования происходит прогресс в области разработки и совершенствования измерительных датчиков. Серьезные перспективы в последнее время связывают с применением новых твердотельных полихроматоров, в том числе в виде наноразмерных покрытий прямо на поверхности чувствительного элемента фотоматрицы, позволяющих почти на три порядка увеличить мощность оптического сигнала («сигнал/шум»), регистрируемого датчиком, за счет отсутствия входных апертурных щелей, а заодно и самого монохроматора.

Библиографический список

1. Солоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.В. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов // Низкотемпературная плазма. - Новосибирск, 2000. - Т. 18.

2. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия (обзор) // Приборы и техника эксперимента. - 2009.

- №4.

3. Альтман И.С. Об определении температуры частиц по спектру излучения // Физика горения и взрыва. - 2004. - Т. 40, №1.

4. Соловьев А.А., Иордан В.И. Измерение скорости волнового фронта быстропротекающих процессов

многоканальным пироэлектрическим детектором // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физикоматематические науки. - 2009. - №4(88).

5. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц // Известия вузов. Физика. - 2008. - №9/3.

6. Гуляев П. Ю., Иордан В. И., Гуляев И. П., Соловьев А.А. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру // Известия вузов.

- Физика. - 2008. - Т. 51, №9/3.