работа диссерт. Разработка дугового плазмотрона для нанесения покрытий с учетом явлений неустойчивости плазменного потока
 Скачать 5.34 Mb.
|
|
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования режимов работы плазмотрона ПН-В1 3.1 Разработка методики проведения экспериментальных исследований Экспериментальные исследования режимов работы дугового плазмотрона ПН-В1 для технологии плазмотермического нанесения покрытий направлены на выявление причин развития неустойчивости плазменного потока и оценке применимости разработанных математических моделей включают в себя исследования режимов работы плазмогенерирующего устройства с использованием стандартных источников питания АПР-403 (трехфазный источник питания с дроссельным управлением) и АПР-404 (трехфазный двухполупериодный тиристоный источник питания). Основными характеристиками при оценке стабильности плазменного потока являются падение напряжения на электрической дуге и мощность излучения [67,68,69,70,71]. Регистрация данных во времени аналоговых характеристик с последующей цифровой обработкой результатов позволяет оценить стабильность плазменного потока и идентифицировать неустойчивость, вызванную флуктуацией электрических параметров, и как следствие, изменение параметров тепловой энергии в столбе электрической дуги плазмотрона, для регистрации силовой неустойчивости, связанной с флуктуацией импульса реализована регистрация данных градиента давления при помощи емкостного микрофона. Принципиальная схема экспериментального стенда для снятия характеристик представлена на рис. 3.1. Разработанное оборудование для регистрации данных во времени базируется на применении платформы Arduino Mega 2560, построенной на микроконтроллере ATmega2560. Платформа имеет 16 аналоговых входа, 54 цифровых входа/выхода, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц [72]. Разрядность двоичного АЦП платформы 10 бит, что соответствует 1024 уровням квантования. Паспортные данные и принципиальная электрическая схема платформы Arduino Mega 2560 представлены в приложении 2. 68 Организация связи для записи данных осуществлена через универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП, англ. UART) с привлечением программного продукта MATLAB пакета Simulink для синхронизации платформы Arduno Mega 2560 с компьютером. Рисунок 3.1. Принципиальная схема экспериментального стенда для снятия характеристик плазмотрона ПН-В1: 1 – подача водяного охлаждения, 2 – ротаметр, 3 – воздушный компрессор, 4 – источник питания (АПР-403 или АПР-404), 5 – аналоговый модуль для снятия характеристик тока и напряжения на дуге, 6 – отвод охлаждающей жидкости, 7 – оптический датчик (фототранзистор L-610MP4BT/BD), 8 – электретный микрофон (ECM-10D), 9 – модуль расширения преобразования аналоговых сигналов в цифровые и передачи данных по интерфейсу связи USB device, 10 – компьютер с предустановленным программным обеспечением, 11 – исследуемый объект (плазмотрон ПН-В1) Принципиальная схема согласования модуля расширения для снятия характеристик тока и напряжения на дуге, оптического датчика и электретного микрофона с модулем расширения преобразования аналоговых сигналов в цифровые на базе платформы Arduino Mega 2560 и элементов питания датчиков представлена на рис. 3.2. Дополнительно реализована возможность синхронизации и сопряжения с внешним экспериментальным оборудованием. 69 Рисунок 3.2. Принципиальная схема экспериментального оборудования для регистрации данных 70 Спецификация элементов экспериментального оборудования для регистрации данных представлена в таблице 3.1. Таблица 3.1 Спецификация элементов экспериментального оборудования № Наименование элемента Описание № Наименование элемента Описание 1 1 R Резистор 0,25 Вт, 560 Ом, 1% 10 1 VD Стабилитрон 5,1В, 1Вт 2 2 R Резистор подстроечный 100 Ом 11 2 VD Стабилитрон 5,1В, 1Вт 3 3 R Резистор 0,25 Вт, 390 Ом, 1% 12 1 VT Фототранзистор L-610MP4BT/BD 4 4 R Резистор 0,25 Вт, 91 кОм, 1% 13 1 C Конденсатор керамический выводной , 0,1 мкФ,10% 5 5 R Резистор подстроечный 10 кОм 14 2 C Конденсатор керамический выводной , 0,33 мкФ,10% 6 6 R Резистор 0,25 Вт, 2 кОм, 1% 15 3 C Конденсатор керамический выводной , 0,1 мкФ, 10% 7 7 R Резистор 0,.5 Вт, 220 Ом, 5% 16 4 C Конденсатор электролитический алюминиевый 10 мкФ, 16 В 8 8 R Резистор 0,25 Вт, 4.7 кОм, 1% 17 1 BM Микрофон электретный ECM-10D 9 9 R Резистор 0,25 Вт, 10 кОм, 1% 18 1 SB Кнопка без фиксации, PBS-10B-2 71 Синхронизация платформы Arduino Mega 2560 с компьютером осуществлена с использованием схемы, реализованной в среде Simulink (см. рис. 3.3) с предустановленным пакетом поддержки Arduino «Simulink Support Package for Arduino Hardware», работающей в режиме внешнего взаимодействия в реальном времени «External mode». В данном режиме используется Simulink ® Coder TM в динамической связи сгенерированного кода блоков входов/выходов с входами/выходами устройства (Arduino Mega 2560). Полученный файл исполнения работает в режиме ядра операционной системы на хост-компьютере и обменивается данными с помощью Simulink через общий интерфейс памяти. Внешний режим полностью синхронизирован с часами реального времени. Основной ролью Simulink является чтение и отображение результатов моделирования, возвращенных от файла исполнения. Диаграмма, поясняющая работу режима «External mode» представлена на рис. 3.4. Настройки UART соединения в режиме «External mode» позволяют регистрировать 151 значение каждого сигнала с 4-х синхронизированных аналоговых входов с частотой дискретизации 15,4 кГц. Данная частота дискретизации позволяет идентифицировать основные флуктуации плазменного потока, частота которых составляет 300 Гц [70,73]. Рисунок 3.3.Алгоритм регистрации данных в режиме «External mode» с использованием платформы Arduino Mega 2560 (реализация в среде Simulink) 72 Снятие данных падения напряжения на электрической дуге осуществляется посредством делителя напряжения, собранном на резистивных элементах R 4 … R 6 (см. рис. 3.2) с коэффициентом передачи 250/5, для защиты платформы от значений напряжения превышающих значение максимально допустимого на аналоговом входе используется стабилитрон VD 2 . Внешний вид смонтированного на плату делителя напряжения представлен на рис. 3.5. Разрешение двоичного АЦП платформы Arduino Mega 2560 с учетом делителя напряжения для регистрации падения напряжения на дуге составляет 0,2 В, что свидетельствует о высокой точности измерений. Рисунок 3.4. Диаграмма, поясняющая сопряжение MATLAB с внешним устройством в режиме «External mode» Регистрация тока электрической дуги реализована на основе применения датчика Холла CSLA1DK, внешний вид которого представлен на рис. 3.5. Разрешение двоичного АЦП платформы Arduino Mega 2560 для регистрации тока дуги позволяет получать значение тока с абсолютной точностью 0,6 А. Данное разрешение позволяет произвести измерения тока дуги с достаточно высокой точностью (погрешность менее 0,3% в номинальном режиме). 73 Рисунок 3.5. Внешний вид силовой части экспериментального стенда для снятия характеристик падения напряжения и тока дуги Флуктуация плазменного потока регистрируется при помощи оптического датчика (фототранзистор L-610MP4BT/BD), измеряющего мощность излучения и размещенного на выходе плазмотрона (см. рис. 3.1). Исполнение датчика представлено на рис. 3.6. Характеристики фототранзистора позволяют проводит экспериментальные исследования с частотой регистрации сигнала до 30 кГц. Рисунок 3.6. Внешний вид оптического датчика 74 Регистрация флуктуации импульса основана на применении электретного микрофона, принцип действия которого базируется на применении тонкой плёнки из гомоэлектрета, выполняющей роль мембраны, при деформации которой на поверхности возникают разноименные заряды, тем самым можно провести параллель с мембранными датчиками для измерения давлений. Электретные микрофоны имеют повышенные электроакустические и технические характеристики: низкие нелинейные искажения; низкие переходные искажения; низкий уровень собственных шумов; высокая чувствительность; широкий частотный диапазон; В качестве электретного микрофона для записи данных флуктуации давления применен микрофон ECM-10D. Чувствительность микрофона составляет -68±3 дБ (0 дБ=1 В/мкБар, 1 кГц, Vcc=1,5 В, RL=2 кОм), предельное звуковое давление составляет 120 дБ. Внешний вид датчика звука на основе электретного микрофона представлен на рис. 3.7. Схема включения микрофона ECM-10D представлена на рис. 3.2. Рисунок 3.7. Внешний вид датчика звука для регистрации флуктуаций давления Общий вид экспериментального стенда для проведения исследований режимов работы дугового плазмотрона ПН-В1 согласно принципиальной схеме проведения исследований (см. рис. 3.5) с корпусным исполнением измерительного оборудования для снятия характеристик падения напряжения на 75 дуге, флуктуации мощности излучения и давления, тока дуги представлен на рис. 3.8. Рисунок 3.8. Внешний вид экспериментального стенда для исследования режимов работы дугового плазмотрона ПН-В1 3.2 Методика обработки результатов экспериментального исследования Результаты экспериментального исследования регистрируются на компьютере в цифровом виде, принимая значения в числовом диапазоне от 0 до 1023. В ходе проведения экспериментального исследования режимов работы дугового плазмотрона ПН-В1 с применением в качестве источников питания 76 АПР-403 (см. рис. 3.9) и АПР-404(см. рис. 3.10) были получены следующие характеристики: падение напряжения на дуге; флуктуации мощности излучения; ток дуги; флуктуации давления. Стабильность плазменного потока, генерируемого плазмотроном постоянного тока, подразумевает отсутствие гармонических составляющих характеристик падения напряжения на дуге и флуктуации мощности излучения. Таким образом, оценка стабильности плазменного потока производится при помощи алгоритма одномерного дискретного преобразования Фурье. Линейная фильтрация и преобразование Фурье являются одними из наиболее фундаментальных операций в обработке цифрового сигнала[74]. Дискретные прямое и обратное преобразования Фурье для одномерного массива x длины N определяются следующим образом: 1 1 1 N j k N j X k x j (3.1) 1 1 1 1 N j k N k x j N X k (3.2) 2 i N N e (3.3) Предварительная подготовка результатов включает себя исключение фоновых помех сигналов и идентификация частоты дискретизации вектора данных. Постобработка включает в себя нормировку спектра по амплитуде и постоянной составляющей в спектре, графическое отображение полученных результатов. Алгоритм обработки результатов (программный код) экспериментальных исследований в программном продукте MATLAB представлен в приложении 1. 77 Рисунок 3.9. Принципиальная электрическая схема источника питания АПР-403 78 Рисунок 3.10. Принципиальная электрическая схема источника питания АПР-404 3.3 Результаты экспериментальных исследований Одной из основных целей проведения экспериментальных исследований является оценка влияния характеристик источника питания на стабильность плазменного потока. В результате были проведены исследования идентичных режимов работы плазмотрона при питании от разных источников питания. Выявлено, что при питании от источника питания АПР-403, обладающего более сглаженной характеристикой тока в сравнении с АПР-404, пульсации падения напряжения на дуге значительно ниже, чем в случае с источником питания АПР- 404 (см. рис. 3.11). Для количественной оценки пульсаций падения напряжения используется коэффициент пульсаций, вычисляемый согласно выражению (3.4). min max 1 U k U (3.4) Коэффициент пульсаций падения напряжения на дуге для источника питания АПР-403 составляет 0,16, а для источника питания АПР-404 – 0,49 при расходе плазмообразующего газа 0,55 г/с. Представленные выше значения коэффициента пульсаций демонстрируют, что при работе от источника питания АПР-403 плазменный поток является более стабильным. Согласно результатам исследования для технологии плазмотермического напыления целесообразно применять в качестве источника питания АПР-403, обеспечивающий стабильный плазменный поток, что подтверждает и анализ Фурье (см. рис. 3.12). 79 Рисунок 3.11.Временные зависимости падения напряжения на дуге при использовании источников питания АПР-403 и АПР-404 Рисунок 3.12. Спектр сигнала падения напряжения на дуге при использовании источников питания АПР-403 и АПР-404 Основная часть исследований была сфокусирована на изучении влияния режимов работы дугового плазмотрона и идентификации развития неустойчивости плазменного потока. На рис. 3.13, 3.14, 3.15, 3.16 представлены результаты экспериментального исследования по устойчивости плазменного потока при изменении расхода плазмообразующего газа плазмотрона ПН-В1 (источник питания: АПР-403). 80 Рисунок 3.13. Результаты экспериментального исследования плазмотрона ПН-В1 при расходе плазмообразующего газа 0,55 г/с Рисунок 3.14. Результаты экспериментального исследования плазмотрона ПН-В1 при расходе плазмообразующего газа 0,78 г/с 81 Рисунок 3.15. Результаты экспериментального исследования плазмотрона ПН-В1 при расходе плазмообразующего газа 1,02 г/с Рисунок 3.16. Результаты экспериментального исследования плазмотрона ПН-В1 при расходе плазмообразующего газа 1,25 г/с 82 Представленные результаты исследований плазмотрона ПН-В1 при различных расходах плазмообразующего газа свидетельствуют о стабильности электрической дуги внутри канала плазмотрона, что подтверждается отсутствием гармонической составляющей высших гармоник в спектрах сигнала падения напряжения на дуге (см. рис. 3.13, 3.14, 3.15, 3.16). При этом из спектра данных излучения на выходе плазмотрона видно, что при увеличении расхода плазмообразующего газа увеличиваются в процентном отношении гармонические составляющие высших гармоник, что свидетельствует о развитии неустойчивости плазменного потока на выходе плазмотрона, приводящей к турбулизации потока. Из рис. 3.16 видно, что при расходе плазмообразующего газа 1,25 г/с сильно увеличивается флуктуация данных с емкостного микрофона, что свидетельствует о турбулентном характере потока плазмы. 3.4 Спектроскопический анализ плазмотрона ПН-В1 Спектроскопический анализ плазмотрона ПН-В1 осуществлен совместно с лабораторией Лейбницкого института плазменной науки и технологии INP Greifswald с целью получения радиального распределения температуры на различном расстоянии от выходного отверстия сопла плазмотрона. Экспериментальные исследования проводились в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.17. Рисунок 3.17. Схема проведения спектроскопического исследования 83 Методы оптической атомной спектроскопии, основаны на измерении интенсивности электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого атомами определяемого элемента, которые находятся в газо- или парообразном состоянии. Эти методы являются многоэлементными и широко используются для установления микроэлементного состава самых разнообразных объектов. Спектральные линии можно характеризовать частотой излучения , которая соответствует квантовому переходу между уровнями энергии i E и k E атома согласно соотношению (3.5). i k h E E , (3.5) где h – постоянная Планка, а также длиной волны c ( c – скорость света). Интенсивность спектральной линии – это мощность электромагнитного излучения, спонтанно испускаемого единицей объёма вещества и обусловленного определенным квантовым переходом в атомах исследуемого элемента [74]. Из определения, приведенного выше, следует, что интенсивность спектральной линии, соответствующей переходу атома из возбужденного состояния с энергией m E в состояние с меньшей энергией k E , связана с числом фотонов n , которые испускает источник за время t , и энергией фотона h : nh I t (3.6) Число фотонов с энергией h , испускаемых единицей объема газа, содержащего определяемый элемент, связано с числом атомов, которые находятся в возбужденном состоянии m N , и вероятностью спонтанного излучения mk A по Эйнштейну (число переходов, происходящих за 1 секунду с уровня m на уровень k ) [74]. m mk n N A t (3.7) Интенсивность спектральной линии можно представить в виде выражения (3.8). m mk I N A h (3.8) 84 Число атомов, которое находится в возбужденном состоянии m N , зависит от температуры T и описывается распределением Больцмана [74]. Если атом определяемого элемента может находиться в основном состоянии с энергией 0 0 E и в возбужденных состояниях с энергиями 1 2 3 , , ,... , m k E E E E E справедливо выражение (3.9) [8]. exp m m m E g N kT N Z (3.9) При логарифмировании выражения (3.9) получим выражение (3.10). ln ln m m m Ng E N Z kT (3.10) График зависимости ln m m N f E (см. рис. 3.18) позволяет определить температуру плазменного потока. Рисунок 3.18. График зависимости ln m m N f E Число атомов в возбужденном состоянии для исследуемого объекта (разрядной камеры) определяется следующим выражением (3.11). 85 * 1 4 m mk I N A h , (3.11) где * I – экспериментально определенная интенсивность излучения. Точность расчета радиального распределения температуры плазменного потока зависит от корректности идентификации спектральных линий элемента, по которым осуществляется вычисление. Радиальные распределения температуры на различном удалении от выхода плазмотрона при расходе плазмообразующего газа 0,56 г/с представлены на рис. 3.19. Рисунок 3.19. Экспериментальные радиальные распределения температуры на различном удалении от выхода плазмотрона Из результатов спектрографического исследования видно, что максимальная температура плазменного потока на оси и составляет 6500 К при минимальном удалении от выхода плазматрона при расходе плазмообразующего газа 0,56 г/с. По мере удаления от выхода плазмотрона температура снижается до максимального значения температуры на оси 5200 К на удалении 31 мм от выходного отверстия сопла плазмотрона. 86 3.5 Выводы по главе Применяемые методики проведения экспериментальных исследований позволяют получить следующие данные о плазменном потоке: характеристики тока и напряжения на электрической дуге; уровень шума во времени, определяемый градиентом давления; интенсивность светового излучения во времени; радиальное распределение температуры. Полученные экспериментальные данные позволяют оценить стабильность плазменного потока и влияние характеристик источников питания. Согласно полученным результатам исследования целесообразно рекомендовать источник питания АПР-403 в качестве основного источника питания для плазмотрона ПН- В1, что позволяет обеспечить более стабильный плазменный поток, тем самым улучшить характеристики напыляемого покрытия и повысить коэффициент полезного действия технологического процесса плазмотермического нанесения покрытий. Радиальные распределения температуры, полученные в результате спектрального анализа, в совокупности с характеристикой напряжения на электрической дуге позволяют произвести верификацию разработанной нестационарной математической модели. Характеристики интенсивности светового излучения и уровень шума позволяют идентифицировать развитие неустойчивости плазменного потока на выходе дугового плазмотрона с межэлектродными вставками, согласно результатам проведенных исследований развитие неустойчивости плазменного потока наблюдается при расходе плазмообразующего газа более 1,25 г/с. |