ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА В ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

П.Ю.Гуляев

ВВЕДЕНИЕ

В области порошковой металлургии и газотермических методов напыления покрытий исключительную важность представляют задачи изучения кинетики и механизма реакций, прежде всего в дисперсных смесях твердых веществ. Исследование зависимости этих реакций от определяющих факторов, разработка способов регулирования технологического режима и управления свойствами конечного продукта в процессе его формирования требуют создания средств экспрессной диагностики и контроля, позволяющих обнаруживать изменения основных параметров технологического процесса, а также непрерывно наблюдать за ними (непосредственно или хотя бы косвенным путем). По мере возрастания температурного уровня и скорости протекания физико-химического процесса взаимодействия дисперсных частиц резко сокращается количество известных экспериментальных методик для диагностики и контроля. При этом данные, получаемые независимыми исследователями, часто различаются или бывают несопоставимы из-за того, что используются методы контроля и измерения оказывающие непосредственное воздействие на объект исследования, внося дополнительное возмущение, или обладающие существенной инерционностью измерительной системы.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Основная научная идея заключается в том, что интегральные оценки состояния дисперсной фазы высокотемпературных гетерогенных струйных или порошковых систем с распределенными температурно-скоростными и фракционными параметрами могут быть определены с заданной точностью путем проведения совокупных (или совместных) оптических измерений интегральных распределений теплового спектра, времяпролетных транспортных задержек тепло- массопереноса, картины дифракционного рассеяния лазерного излучения и построения устойчивых приближенных решений так называемых некорректно поставленных обратных задач, которые в классической постановке могут не иметь решений или давать физически неосуществимый результат, вида A*z=u, где A - матрица (или оператор), элементы которой рассчитываются по известным физическим законам, связывающих значения {Ui} вектора u -результатов прямых оптических измерений и значений {Zi} вектора z -искомых интегральных оценок теплофизических параметров. Совокупность принятых допущений должна являться методологической основой для разработки корректных способов измерения статистически устойчивых интегральных теплофизических параметров усредненных по анализируемому измерительному объему, выбор величины которого, с учетом ограничений накладываемых разрешающей способностью оптической системы, должен удовлетворять оптимизационному условию [4]:

,

где

dV, dVopt –	измерительный объем и его оптимальное значение;
x, ^–	измеряемый параметр и его интегральная величина;
g –	логарифмическая характеристика точности (ЛХТ) измерений;
a –	параметр регуляризации измерительной задачи по А.Н.Тихонову;
W –	стабилизирующий квадратичный функционал или остаточная флуктуация интегральной оценки измеряемого параметра;
M^a –	оптимизируемая функция «невязки», в качестве которой обычно выбирают общее уравнение измерительного устройства

например, в виде произведения

g²tPh_э=W_{ш ,}

где

t –	время наблюдения измеряемой величины;
P –	мощность полезного сигнала поступающего на вход измерительной системы от объекта;
hэ –	энергетический коэффициент полезного действия процесса измерения;
Wш –	энергетический порог случайных флуктуаций молекулярных явлений, а также электрического тока в измерительной цепи при абсолютной температуре T.

Появление в последние десятилетия новой элементной базы неохлаждаемых матричных ИК-фотоприемников, работающих как в режиме накопления заряда, так и в режиме прямого детектирования оптического излучения [1,2], наряду с использованием высокопроизводительных микропроцессорных систем, позволяющих программно управлять законом сканирования, чувствительностью и быстродействием оптоэлектронных многоэлементных датчиков, позволяет преодолеть основные трудности в регистрации быстропротекающих дисперснофазных технологических процессов. Однако ввиду того, что сам объект технологической переработки представляет собой ансамбль частиц с распределенными параметрами, то задачи диагностики состояния дисперсных и газовых фаз в потоке, а также создание автоматизированного оборудования, обеспечивающего контроль и поддержание на заданном уровне регламентированных технологических режимов, требуют разработки устойчивых методов приближенных решений широкого класса некорректно поставленных обратных задач оценки интегральных значений основных температурно-скоростных и дисперсионных параметров процесса по статистическому набору экспериментальных данных, получаемых в результате косвенных совокупных измерений [3].

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АППАРАТНЫХ РАЗРАБОТОК

Многоканальный анализатор теплового спектра частиц конденсированной фазы в продуктах детонации и взрыва СПЕКТР-Т Анализатор СПЕКТР-Т предназначен для одновременной многоканальной регистрации и имеет режим непрерывной записи серии спектров, что позволяет применять его для анализа импульсных нестационарных процессов, таких как: газотермические технологии упрочнения поверхностей и нанесения защитных покрытий плазменными, газопламенными и детонационными методами, диагностика плазмы, самораспространяющийся высокотемпературный синтез. СПЕКТР-Т может быть базовым устройством для создания автоматизированных приборов, основанных на принципе разложения электромагнитного излучения в спектр и предназначенных для определения температурного состава дисперсной фазы слабозапыленных плазменных потоков, измерения температуры пламени, анализа дисперсности аэрозолей и дисперсионно-струйных систем.

Рис. 1. Камера с линейным фотоприемником
Рис. 2. Анализатор теплового спектра СПЕКТР-Т с ЭОП-66

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Электромагнитное излучение преобразуется в электрический сигнал в элементарной ячейке линейки фотодиодов ФДЛ (рис. 1). Параллельное одновременное накопление электрического сигнала в 1024 элементарных ячейках ФДЛ, работающих в режиме накопления заряда, обеспечивает реализацию нового способа температурной диагностики [5], основанного на методе совокупных измерений и на режиме аналогового интегрирования электрических зарядов в элементарных ячейках ФДЛ, который расширяет функциональные возможности анализатора: проведение измерений для систем с распределенными параметрами в режиме реального времени. Так, например, СПЕКТР-Т (рис. 2) ориентирован на регистрацию импульсных тепловых спектров от ансамбля движущихся самосветящихся частиц вещества, что дает оперативную информацию о температурах напыляемых частиц. Схема установки напыления защитных покрытий показана на рис. 3. Установка содержит детонационный импульсный генератор плазменной струи (1), экспериментальный бокс (3), в объем которого производится импульсное напыление, вырез (4), в котором рапсположен монохроматор (2) с анализатором теплового спектра продуктов детонации СПЕКТР-Т.

Фотография установки приведена на рис. 4, где показаны: детонационный импульсный газогенератор, экспериментальный бокс, монохроматор на входную щель которого фокусируется тепловое излучение от пролетающих частиц вещества. На рис. 5 приведен пример интегрального теплового спектра U(l) от ансамбля различно нагретых частиц вещества, пролетевших через зону регистрации анализатора СПЕКТР-Т и на рис. 6 показано его преобразование в гистограмму Z(T) распределения частиц вещества по температурам.

Рис. 3. Схема установки защитных покрытий	Рис. 4. Общий вид стенда

Рис. 5. Тепловой спектр частиц	Рис. 6. Распределение частиц по температурам

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Фотоприемник –	Интегральная линейка фотодиодов
Количество элементов –	1024
Разрешающая способность –	0.5 нм/элемент
Область спектральной чувствительности –	300-1100 нм
Динамический диапазон –	1:4096
Размеры (без ЭВМ) –	500*350*150 мм
Вес –	3 кг
Сканирование –	Однократное/Периодическое
Запись в память –	Одного кадра/16 кадров
Запуск –	Внутренний/Внешний

ВЫВОДЫ

Новизна полученных результатов подтверждена соответствующими патентами РФ на изобретение новых способов определения указанных технологических параметров дисперснофазных систем [5]. В дальнейшем, по мере возрастания требований к контрольно-измерительной и диагностической аппаратуре, особенно в оптических методах контроля, будет требоваться расширенное использование результатов полученных в данной работе. Это определяется тем, что желание иметь надежную информацию об исследуемом явлении, изучение "редких" и "слабых" эффектов приводит к необходимости многократного повторения единичного эксперимента, а автоматизация проведения процедуры контроля методами решения обратных задач позволяет получать за короткое время, с заранее известной точностью, оценки распределения интересующего параметра за один цикл измерения путем обработки результатов регистрации усредненных оптических характеристик от десятков и сотен тысяч частиц , наблюдаемых в анализируемом объеме. Обеспечить такой метод контроля, во всей его полноте, может только применение современных твердотельных приемников изображения, работающих в режиме накопления заряда и прецизионно осуществляющих на аналоговом уровне непрерывное интегрирование входного сигнала. Предпосылкой к дальнейшему развитию представленного направления в контрольно-измерительной технике служат появившиеся в последнее время образцы разработок таких многофункциональных типов фотоприемников, как: твердотельные кремниевые полихроматоры с многослойными интерференционно-поляризационными пленочными покрытиями, позволяющие повысить чувствительность при регистрации теплового спектра на два порядка и отказаться от громоздких оптико-механических диспергирующих устройств; высокочувствительные ПЗС-матрицы с лавинным фотоумножением; МДП-фотодиодные структуры с программно управляемым законом сканирования; неохлаждаемые пленочные фоторезистивные матрицы длинноволнового ИК-диапазона. Все это, наряду с очевидной актуальностью задач технологического контроля в быстропротекающих высокотемпературных процессах, показывает на необходимость применения полученных в работе результатов при дальнейшем конструктивном совершенствовании приборов и методов оптической экспресс-диагностики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Госьков П.И., Галиулин Р.М., Гуляев П.Ю., Кругликов С.В. Преобразование динамических оптических полей интегральными МДП-фотодиодными матрицами в режиме прямого детектирования сигнала // Изв. ВУЗов СССР, серия «Физика».- 1981.- N 3, рег. N279-81.- 17 с. (деп.рукопись).

2. Госьков П.И., Гуляев П.Ю., Якунин А.Г. Универсальный преобразователь изображений ПИУ-2 //Приборы и техника эксперимента 1987.- N 3.- С. 91.

3. Госьков П.И., Гуляев П.Ю., Цибиров А.М., Коротких В.М. Комплекс технических средств регистрации излучения плазмы «Факел-1» //Приборы и техника эксперимента.- 1989.- N 5.- С. 12.

4. Гарколь Д.А., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Мухачев А.Б. Новая методика высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования процессов СВС // Физика горения и взрыва.- 1994.- 30, N 1.-С. 72-77

5. Патенты РФ N 2107899; N 2094787; N 2099674; N 1835926.