Информационно-измерительное устройство контроля температуры в зоне резания

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в машиностроении при обработке металлов резанием для бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке.
Известно устройство бесконтактного измерения температуры оптическим пирометром. Принцип действия известного устройства основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света (А. Неделько. Преимущества и недостатки бесконтактного способа определения температуры. Журнал НМ-оборудование, март 2005, с. 50-53).
Недостатками известного устройства являются: сложность его встройки в инструментальные узлы, трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой устройством тепловой радиацией. Между устройством и объектом не должно быть препятствий, непрозрачных в рабочей области спектра пирометра. В противном случае, в результате уменьшения потока излучения, показания устройства будут занижены. Объект измерения должен быть непрозрачным в данной области спектра.
В качестве прототипа принято устройство, реализующее способ бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке (RU, патент 2398659, кл. В23В 25/06; G01N 3/58, 10.09.2010 г.), включающее зонд, расположенный в зоне резания обрабатываемой детали, связанный трубопроводом с газоанализатором, причем зона резания изолирована от окружающей среды защитным кожухом.
Недостатком данного устройства является недостаточная точность измерений за счет использования экспериментальных таблиц перехода от концентрации к температуре. К тому же следует отнести сложность, поскольку для использования устройства по назначению требуется дополнительное (вспомогательное) оборудование для тарировки. Это, в свою очередь, увеличивает трудоемкость процесса измерения.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей.
Технический результат предлагаемой полезной модели - увеличение точности при одновременном снижении трудоемкости процесса измерения. Это достигается тем, что в информационно-измерительное устройство контроля температуры в зоне резания, содержащее зонд газоанализатора, расположенный в зоне резания обрабатываемой детали, введена кювета с входной и выходной трубками для прохождения газа, по обе стороны которой размещены два оптических волокна, одно из которых оптически соединено с источником оптического излучения, а другое соединено с акустооптическим преобразователем, на выходе которого размещена последовательная цепочка, состоящая из фотодиода, преобразователя ток - напряжение на базе операционного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера с микропроцессором, жидкокристаллического индикатора, причем микроконтроллер соединен с клавиатурой.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже представлена функциональная схема информационно-измерительного устройства контроля температуры в зоне резания при механической обработке.
Информационно-измерительное устройство контроля температуры в зоне резания содержит деталь 1, обрабатываемую режущим инструментом 2, зонд газоанализатора 3 для забора газа вблизи зоны резания, источник света 4, оптические волокна 5 и 6, кювету 7, акустооптический преобразователь 8, соединенный с пьезоизлучателем 9 для создания ультразвуковой волны в акустооптическом преобразователе с генератором радиочастот 10 для питания пьезоизлучателя, а также демпфер 11 для гашения ультразвуковой волны, фотодиод 12, преобразователь ток-напряжение 13 на базе операционного усилителя, аналогово-цифровой преобразователь 14, микроконтроллер со встроенным микропроцессором 15, жидкокристаллический индикатор 16 и клавиатуру 17, которая управляет режимом работы микроконтроллера.
Информационно-измерительное устройство контроля температуры в зоне резания работает следующим образом. Зонд 3 газоанализатора производит забор газа вблизи зоны резания обрабатываемой детали 1 резцом 2 с целью контроля концентрации углеродосодержащих газов, по величине которой судят о температуре процесса резания. Газ через входную трубку поступает в кювету 6, по обе стороны которой размещены два оптических волокна 5 и 7, одно из которых оптически соединено с источником света 4, а другое - с акустооптическим преобразователем 8. На одном торце акустооптического преобразователя 8 размещен пьезоизлучатель 9, питаемый генератором радиочастот 10. Пьезоизлучатель создает ультразвуковые волны, которые распространяются к другому торцу акустооптического преобразователя. При их движении в акустооптическом преобразователе создаются периодические неоднородности среды.
Для предотвращения отражения ультразвуковых волн от второго торца акустооптического преобразователя и их обратного движения, что привело бы к погрешностям, на этом торце размещен демпфер 11, обеспечивающий гашение волн.
Луч света, излучаемый источником света 4, проходит по оптоволокну 5, кювету с газом 6, оптоволокну 7 и попадает на акустооптический преобразователь 8. В прозрачной кювете с газом происходит поглощение света в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера
;
0
где I - интенсивность света, излучаемого источником света 4;
λ
χ - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты света и от свойств молекул растворенного вещества;
l - длина пути света сквозь газ в кювете;
С - концентрация газа.
Луч света интенсивностью I проходит по оптоволокну 7 и попадает на периодическую неоднородность акустооптического преобразователя 8. Происходит дифракция Рамана-Ната, и луч света распадается ряд мод порядка 0; ±1 и ±2. Как правило, используются моды +1 и -1-го порядков, т.е. при дифракции Рамана-Ната на пути лучей +1 и -1 порядков устанавливают фотодиод 12, на выходе которого возникает фототок. Далее в преобразователе ток - напряжение на базе операционного усилителя 13 происходит преобразование тока в напряжение и его усиление. В аналого-цифровом преобразователе 14 аналоговое значение напряжения преобразовывается в цифровой код и последний поступает на вход микроконтроллера 15 со встроенным микропроцессором. Последний обрабатывает информацию и по ней судят о концентрации углеродосодержащих газов, находящихся в зоне резания, а следовательно и температуре в зоне резания при механической обработке. Значение температуры отображается жидкокристаллическим индикатором 16.
С помощью клавиатуры 17 можно управлять режимом работы микроконтроллера и получать необходимую информацию о концентрации газа, температуре в зоне резания в разные моменты времени и отображать ее на экране жидкокристаллического индикатора.
Таким образом, предложенное устройство позволяет судить о концентрации углеродосодержащих газов, находящихся в зоне резания, а следовательно и температуре в зоне резания при механической обработке.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемым информационно-измерительным устройством, является повышение точности измерения температуры. Это достигается тем, что в отличие от прототипа, в котором вручную обрабатывают экспериментальные данные таблиц перехода от концентрации образующихся в зоне резания углеродсодержащих газов к температуре процесса резания, в предлагаемом нами устройстве этот переход автоматизирован за счет использования акустооптического преобразователя, интенсивность выходного оптического луча которого является функцией температуры, функционально связанной с концентрацией углеродсодержащих газов в зоне резания. Дальнейшее преобразование оптического сигнала в электрическую величину, усиление ее, преобразование в цифровой код и использование микроконтроллера с микропроцессором и отображение информации с помощью жидкокристаллического индикатора - все это обеспечивает увеличение точности измерения температуры в зоне резания.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №16-38-50122 мол_нр.