БЛОК АВТОМАТИЗАЦИИ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для высокочастотной обработки полимерных материалов, а именно устройствам для автоматизации процесса термообработки полимерных материалов полем высокой частоты.
Возрастающий объем и ассортимент производства пластических масс требует дальнейшего совершенствования существующих технологических процессов ВЧ обработки полимеров, который связан с переработкой полимеров разнообразных производителей. В связи с отличительными признаками в технологических процессах, условиях хранения и транспортировки полимерные материалы в зависимости от производителей полимеры имеют различные физико-химические и качественные показатели, поэтому возникает необходимость в автоматизации процесса ВЧ обработки полимеров.
Известное устройство для регулирования процесса высокочастотной сварки (см. Полезная модель SU №1437241, МПК В29С 65/04, заявлена 12.08.1986) содержит генератор ТВЧ, рабочий конденсатор и механизм поддерживания заданного значения сварочного тока, включающий согласующий конденсатор с подвижной и неподвижной пластинами, электромагнитный привод с механизмом возврата подвижной пластины в исходное положение и схему управления, включающую усилитель, датчик анодного тока, позиционные задатчики сварочного тока и замыкающие контакты рабочих позиций. С целью повышения надежности работы устройства и точности поддержания заданного значения сварочного тока путем исключения люфтов в кинематической цепи привода, подвижная пластина согласующего конденсатора жестко закреплена на валу привода и снабжена уравновешивающим балансиром, а привод снабжен закрепленным на противоположном конце вала барабаном с зафиксированным на нем гибким тяговым органом, один конец которого соединен с якорем электромагнита привода, а другой - с механизмом возврата, который выполнен в виде цилиндрического стержня, постоянная масса которого превышает силу тяжести якоря электромагнита и усилие поворота уравновешенной подвижной пластины. Усилитель выполнен однокаскадным транзисторным, вход которого соединен через замыкающие контакты постов рабочих позиций с соответствующими задатчиками сварочного тока, включенными параллельно датчику анодного тока, а электромагнит привода подключен к выходу усилителя.
Недостатком данного устройства является его относительная сложность. Механизм возврата представляет из себя систему противовесов, без демпфирующих и тормозных элементов, что приводит к динамическим ударам при отключении устройства и как следствие, к снижению прочности механизма регулирования и долговечности конструкции в целом.
Аналогичное устройство представлено в свидетельстве на полезную модель RU 16579, МПК Н05В 3/00, заявлено 27.09.2000 г.
Устройство для высокочастотной сварки полимерных материалов, содержит высокочастотный генератор, электромагнит с подвижным сердечником, источник электропитания, подвижный и неподвижный сварочные электроды и блок коммутации, при этом высокочастотный генератор и электромагнит через блок коммутации подключены к источнику электропитания, подвижный сварочный электрод подключен к выходу высокочастотного генератора и механически связан с подвижным сердечником электромагнита, блок коммутации содержит первое реле времени, включенное между источником электропитания и высокочастотным генератором, и узел запуска, подключенный к управляющему входу первого реле времени, при этом в блок коммутации введено второе реле времени, включенное между источником электропитания и электромагнитом, управляющий вход второго реле времени подключен к узлу запуска, а выдержка времени второго реле времени на 10-50% больше выдержки времени первого реле времени.
Недостатком данного устройства является ограниченная область применения и отсутствие системы автоматизации.
Наиболее близким к данному техническому решению является «Электрический блок устройства для высокочастотной сварки пластмасс» (Патент RU 2017623 МПК В29С 65/04 заявлен 22.10.1992)
Данный блок содержит экранирующий корпус, размещенные в нем последовательно включенные источник постоянного напряжения и высокочастотный генератор, систему автоматического управления и сигнализации, включающую цепь управления генератором, отличающийся тем, что источник постоянного напряжения выполнен с бестрансформаторным входом на базе нерегулируемого полумостового или мостового полупроводникового преобразователя с силовым импульсным трансформатором и с маломощным насыщающимся трансформатором в цепи обратной связи, а высокочастотный генератор выполнен в виде одноконтурного транзисторного LC-автогенератора по схеме индуктивной или емкостной трехточки по меньшей мере с двумя каскадами усиления мощности и со схемой защиты от перегрузки рассогласования. Схема защиты от перегрузки рассогласования выполнена в виде выходного резистивного аттенюатора. Высокочастотный генератор снабжен размещенным в зоне его максимального нагрева термореле, включенным в цепь управления питанием генератора.
Недостатком данного устройства является небольшая мощность генератора и возможность производить только точечную сварку. Повышенное потребление энергии в связи с нагревом резисторов аттенюатора, отсутствие регулировки высокочастотного генератора по мощности, а так же отсутствие защиты от токов пробоя обрабатываемого образца и недостаточная защищенность от воздействия высокочастотного поля на само устройство электрического блока.
Цель предлагаемой полезной модели достигается тем, что блок автоматизации устройства высокочастотной термообработки полимерных материалов, содержащее экранирующий корпус, размещенные в нем последовательно включенные источник постоянного напряжения и высокочастотный генератор, систему автоматического управления и сигнализации, включающую цепь управления генератором, согласно полезной модели, установлен дополнительно исполнительный механизм (например сервопривод), линейный токовый датчик, акустические датчики регистрации частичных разрядов, соединенные с вычислительными устройствами микроконтроллера, который в свою очередь имеет связь с сервоприводом
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фигура 1 Структурная схема блока автоматизации устройства ВЧ
термообработки полимерных материалов.
Фигура 2 Вольтамперная характеристика пробоя полимерных
материалов с указанием зоны предпробойного состояния.
Фигура.3 Фонограмма частичных разрядов (ЧР) полиамида под
воздействием ВЧ поля частотой 27,12МГц
Фигура 4, График динамики возникновения частичных разрядов (ЧР)
полиамида под воздействием ВЧ поля частотой 27,12МГц.
На фиг.1 изображена структурная схема блока автоматизации устройства ВЧ термообработки полимерных материалов содержащее экранирующий корпус(2), размещенные последовательно источник постоянного напряжения(4) и высокочастотный генератор(5), система управления, сигнализация(6), включающая цепь управления генератором(7) и коаксиальный кабель(3) для передачи ВЧ энергии в рабочей конденсатор(17). В блоке автоматизации(1) установлен исполнительный механизм(8) в виде сервопривода, линейный токовый датчик(9), соединенный с вычислительным устройством(10) микроконтроллера(16). С целью раннего обнаружения предпробойного состояния обрабатываемых полимерных материалов, помещаемых в рабочий конденсатор(17), блок имеет акустические датчики регистрации частичных разрядов(11), соединенные с вычислительным устройством(12) микроконтроллера(16), который имеет связь с сервоприводом(8).
Блок автоматизации(1) устройства высокочастотной термообработки полимерных материалов размещен в зоне его максимального удаления от ВЧ генератора(5), в отдельном помехозащищенном корпусе(13) с выполненным по автономной схеме блоком питания(14).
Работа блока автоматизации, осуществляется следующим образом. Одновременно с включением устройства высокочастотной обработки полимерных материалов включается высокочастотный генератор ВЧГ(5), блок управления СУС(6), блок автоматизации(1).
Линейным датчиком Холла с выходом по напряжению(9) (см стр. Datasheet http://www.contractelectronica.ru/files/124/CSLW6B5.pdf) измеряется анодный ток высокочастотного генератора (АТВЧ), одновременно с этим акустическими датчиками(11) регистрируются частичные разряды(ЧР), возникающие на полимере, помещенном в рабочей конденсатор (17) в процессе ВЧ воздействия. Данные по АТВЧ и ЧР передаются в вычислительные устройства микроконтроллера (ВУМК)(10), (12), которые производят расчет величины изменения анодного тока и количество частичных разрядов в определенном временном интервале. По интенсивности возрастания контролируемых показателей можно определить электрофизическое состояние обрабатываемого полимера, а именно, его предпробойное состояние, которое характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости (см лит.«Материалы электроники и электротехники»: учебное пособие /А.П.Королев, С.Н.Баршутин. - Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. - стр48). На фиг.2 представлена вольтамперная характеристика пробоя полимерных материалов (стр.49, вышеуказанной литературы) с указанием зоны предпробойного состояния. Данная особенность полимеров была взята за основу автоматизации процесса управления ВЧ устройством с защитой от токов пробоя. Исходя из конструкционных особенностей регулятора мощности ВЧ генератора, выполненного в виде переменного конденсатора (15), была экспериментально (на примере ВЧ устройства модели «УЗП 2500») определена нелинейная зависимость изменения мощности генератора от угла поворота регулятора, также было определено оптимальное время увеличения мощности генератора до его номинального режима равное 7 сек..
Регулятор соединен с исполнительным механизмом(8), который имеет связь и управление от микроконтроллера(16).
Расчет скорости увеличения анодного тока вычислительным устройством микроконтроллера, ведется по формуле(1).
(1)
Где,
I - мгновенное значение тока;
T - мгновенное значение времени, в нашем случае это 1/200сек;
K - рассчитывается по формуле (2)
,\tab(2) Где Т - периодичность предоставления данных в ВУМК(10) (в нашем случае Т оно составляет 2000 раз в секунду)
V - линейная скорость регулирования рассчитывается по формуле (3)
(3)
Расчет скорости регулирования произведен на примере ВЧ устройства, модели «УЗП 2500» следующим образом:
1. Номинальный анодный ток
<img file="00000005.tif" he="5" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
2. Ток холостого хода
<img file="00000006.tif" he="6" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
3. Время регулирования до номинального тока
Подставив значения в формулу (3), получаем
,
По формуле (2) вычислим значения К
К=0,1/2000=0,00005
Таким образом, подставив значения в формулу (1) получаем линейную зависимость возрастания анодного тока, которую и используем в ВУМК(10)
В случае обнаружения вычислительным устройством(10) отклонения от линейной зависимости скорости возрастания анодного тока, микроконтроллером(16) подается команда исполнительному механизму(8) на уменьшение его значения, до величины, соответствующей нормальному режиму термообработки, согласно формулы (1).
Для обнаружения предпробойного состояния в конструкцию блока включены акустические датчики частичных разрядов(11). Интенсивность ЧР позволяет определить раннюю фазу предпробойного состояния. Экспериментальные данные определения частичных разрядов, возникающих при обработке полиамида марки Армамид ПА СВ 30-1ЭТМ, показаны на фиг.3, где представлена фонограмма ЧР полиамида, возникающих при воздействии ВЧ поля частотой 27,12МГц, на которой видна возможность раннего обнаружения ЧР.
Данные фонограммы (время возникновения ЧР) в графическом виде представлены фиг 4, где видна динамика ЧР в процессе ВЧ обработки.
Из фиг.3 и фиг.4 можно сделать вывод, что пробою предшествуют (в достаточно большом временном интервале) ряд ЧР, появляющихся с некоторой прогрессией. За максимально допустимый промежуток времени между ЧР для упрощения расчетов принимаем временной интервал равный среднеарифметическому значению межразрядных интервалов. В примере с полимером «Армамид ПА СВ 30-1ЭТМ» это значение равное 0,2 сек.
Исходя из найденного значения, введенный в программу ВУМК(12) расчет, ведется по формуле
τчр≤0,2 сек
(2)
где, τчр - время между событиями с регистрацией частичных разрядов
В случае невыполнения данного условия, т.е. когда интенсивность возникновения ЧР превышает 0,2 сек, микроконтроллером(16) подается команда исполнительному механизму(8) на уменьшение емкости переменного конденсатора (уменьшающему мощность, а следовательно и анодный ток) до достижения контролируемых значений, соответствующих расчетному режиму термообработки.
Исполнительным механизмом(8) может быть сервопривод, шаговый двигатель или другое устройство. При этом надо отметить, что скорость исполнительного механизма нелинейная. Например, для оборудования УЗП 2500 процесс увеличения анодного тока до номинального значения выполняется в пределах 7 сек. Количество шагов подаваемых на ИМ подбирается экспериментально и зависит от конструктивных особенностей переменного конденсатора(15), установленного на ВЧ устройстве(2) и исполнительного механизма(8). Так например, на вышеуказанном оборудовании, для увеличения анодного тока на 0,01 А (с 0,2А до 0,21А), количество шагов подаваемых на шаговой двигатель 130ед, а для увеличения тока на 0,1А, но уже в диапазоне с 0,89А до 0,9А, количество шагов 24ед, что предусматривается алгоритмом управления ИМ (8)
Особенности данного блока автоматизации в том, что его реализация не вносит изменений в существующие принципиальные электрические схемы устройства высокочастотной термообработки полимерных материалов.