Г.А. Морозов, О.Г. Морозов, Ю.Е. Польский,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань)
A.M. Салихов,
(ЗАО «Инженерная компания «Смарт Билдинг»», г. Казань)
Общими тенденциями развития систем контроля параметров микроволновых технологических процессов [1] являются: необходимость контроля значительного количества датчиков и исполнительных устройств, что определяется требованиями оперативности контроля и управления, повышением плотности средств измерения и диагностирования; пространственное распределение средств управления и контроля по объему рабочей камеры; возрастание информационных потоков меж-nv блоками системы в каналах управления и обработки информации, работающих в реальном масштабе времени; повышение требований к сроку службы и надежности агрегатов и узлов микроволновых технологических комплексов (МВТК) с учетом их возрастающей сложности.
На этапе проектирования МВТК возможности оценки неоднородности распределения поля расчетным путем весьма ограничены. Поэтому наиболее реалистичным представляется ее экспериментальное определение. Для указанных задач, вообще говоря, требуется измерять пространственное распределение удельной поглощенной мощности, что может быть заменено измерением приращения температуры при условии кратковременного нагрева. Особенность измерений такого рода состоит в том, что требование их оперативности не является принципиальным. Поэтому на этапе проектирования могут использоваться различные приемы, основанные на процедуре внесения датчиков в рабочую камеру и считывании с них информации о приращении температуры. В качестве датчиков могут использоваться дискретно расположенные поглощающие элементы.
На этапе эксплуатации измерение распределения полей производится с целью текущего контроля процесса микроволновой обработки или управления ее параметрами в МВТК адаптивного типа. В этих случаях измерениям присущ ряд характерных особенностей. Во-первых, измерения должны проводиться весьма оперативно, что полностью исключает использование приемов, указанных выше. Во-вторых, не представляется возможным использовать различные температурные датчики, например резистивные, соединенные с регистрирующей аппаратурой металлическими проводниками, которые могут существенно исказить картину ЭМП. В-третьих, несколько иными являются требования к измеряемым величинам. Возможны две принципиально различные задачи: измерение (контроль) текущих пространственных распределений электромагнитных или тепловых полей и текущее определение (контроль) средней температуры материала в рабочей камере в процессе обработки.
Остановимся на перспективах применения волоконно-оптических Датчиков (ВОД) для задач контроля и управления микроволновыми технологическими процессами (МВТП). В указанных выше условиях актуальной становится задача комплексирования ВОД и создания их единого поля для улучшения качества контроля параметров МВТП (средних температур, скоростей нарастания температур и т.д.).
Под единым полем комплексированных датчиков [2] будем понимать множество ВОД, расположенных в контрольных зонах МВТ-комплекса или технологически встроенных в его узлы и агрегаты, позволяющих получать с одного датчика информацию об одном или нескольких физических процессах и соединенных в общую волоконно-оптическую сеть передачи и обработки информации, управления и синхронизации.
С одной стороны, перспективность создания единого поля комплексированных датчиков определяется свойствами созданных одномодовых ВОД, их универсальной чувствительностью к воздействию различных физических полей. С другой стороны - возможностями много-модовых волокон в связных системах, их устойчивостью к воздействию внешних помех и стабильностью к изменению условий эксплуатации.
Вполне естественно, что требования к отдельным элементам единого поля могут быть различны (например, избирательная чувствительность к регистрируемому воздействию). Однако в целях универсального применения и простоты реализации датчики поля должны обладать позиционной чувствительностью, то есть возможностью получения информации с пространственным разрешением. Наибольший интерес с данной точки зрения представляют собой протяженные датчики, реализуемые на базе волоконно-оптических решеток Брэгга, которые сочетают в себе свойства волокна как многоточечного датчика и одновременно как линии передачи информации. Дополнительным преимуществом является необходимость доступа лишь к одному концу ВОД.
Среди перспективных разработок следует выделить ВОД нового типа, разработанные на основе уникальной плазмохимической технологии Научным центром волоконной оптики при Институте общей физики РАН, благодаря спонсорской поддержке компании Бизнес-Юнитек, в которых для формирования оптоволоконной структуры вместо германия используется азот. Ключевым элементом такого датчика является внутриволоконная брэгговская решетка. Волоконные световоды на основе кварцевого стекла, легированного азотом, продемонстрировали целый ряд уникальных характеристик. У них на порядок большая, по сравнению со стандартными волокнами, стойкость к воздействию ионизирующей радиации и СВЧ-излучений.
Не менее важным с точки зрения реализации МВТ-процессов является обеспечение защиты персонала от утечек МВТ-излучения. С этой целью можно использовать систему на ВОД, разработанную компанией IOS, которая точно определяет место утечки в реальном времени внутри и снаружи рабочей камеры. Для этого используются объединенные в оптоволоконную сеть многочисленные оптоэлектронные датчики температуры, которые устанавливаются во всех потенциально опасных местах и реагируют на СВЧ-излучение путем его поглощения. Вызванные изменения температуры передаются по сети для регистрации и принятия управляющих воздействий.
Указанные выше решения могут быть реализованы с помощью разработанных нами ВОД на базе двух скрученных волокон с замкнутыми концами, которые конфигурируются либо в трехмерную структуру, либо в тканую двумерную структуру и помещается в рабочую камеру МВТ-комплекса. При этом характер взаимодействия ВОД значительно отличается от характера взаимодействия обрабатываемой среды с ЭМП. В ходе эксплуатации при нагреве обрабатываемой среды энергия тепловых полей передается ВОД, изменяя его информативные параметры, которые регистрируются с помощью фотоприемного устройства. Для использования указанных структур на стадии проектирования на поверхность ВОД наносится поглощающее покрытие с пространственным разрешением, позволяющим достичь требуемой информативности измерений. При использовании полностью покрытого ВОД разрешение будет определяться разрешающей способностью используемых для получения информации методов.
Список литературы
1. Морозов Г.А., Седельников Ю.Е. и др. Низкоинтенсивные СВЧ - технологии (проблемы и реализации). М.: Радиотехника, 2003. 112 с.
2. Польский Ю.Е., Морозов О.Г. Единое поле комплексированных волоконно-оптических датчиков в системах контроля безопасности скоростных транспортных средств // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 1997. № I.e. 39-41.
|
