3000℃超高温通电加热试验装置控制系统研究.pdf
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1、超高温通电加热试验装置控制系统研究马双伟王 慧龙 建孙 剑杨 涛党韦达张佳伦赵金达王洪博王 民(中机试验装备股份有限公司吉林 长春)摘 要:在高温真空力学试验系统的加热方式中目前通常采用辐射加热、通电加热及感应加热 辐射加热的效率相对较低受发热体的约束加热温度很难超过 通电加热是以试样作为发热体可实现 超高温加热 本文采用通电加热的方式以嵌入式系统作为控制核心运用经典 算法能够快速实现对温度的稳定控制关键词:超高温通电加热控制系统中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 马双伟()男硕士研究生高级工程师主要研究方向:极端近服役环境力学试验系统研发 引 言近年来随着航天、核聚
2、变反应堆、新型复合材料等技术的快速发展材料力学性能测试对温度的要求越来越高模拟试验环境的要求更具多样性(真空、保护气体、氧含量、腐蚀介质等)如用于瞬时寿命固体火箭发动机材料的试验温度高达 用于有限寿命液体火箭发动机材料的使用温度可达 用于长时寿命航空发动机材料在大气下的使用温度已达 等 为了模拟和考核关键材料在近服役环境中的高温力学性能需要研发近服役环境材料高温试验系统超高温真空(充气)试验装置是集机械、材料、热工、真空、测量、自动控制和计算机等技术于一体的试验系统 目前温度控制系统多以集成温控器为核心包括热电偶、触发板、可控硅、变压器等元器件 这种组合对于辐射加热这种缓慢加热的方式而言是可以
3、满足需求的但在超高温情况下采用辐射加热和感应加热还存在诸多问题 因此本研究主要以通电加热来论述方案的可行性 通电加热的特点是电流大、升温快、试样受热不均等极大增加了控制的难度 控制方案的选择超高温通电加热要求在极短的时间内达到目标温度试样电阻较小所以加热电流较大 采用普通的大功率变压器可以满足大电流的需求但是变压器的工作效率低下对电网质量影响较大 另外可控硅控制的调压变压器滞后性较大不能满足快速升温的要求 为了满足快速升温和节能环保的要求本研究采用高精度、高响应、高效率的大功率开关电源 考虑到加热试样的电阻率不同、主辅变压器使用的工况主变压器采用额定功率、额定电压 的大功率开关电源辅助变压器采
4、用额定功率、额定电压 的大功率开关电源目前温度测量大多采用接触式测量一般是将热电偶捆绑在试样上测量温度最高的钨铼热电偶也仅能检测到 另外考虑到通电加热的电压会影响接触式测量的准确性所以超高温温度测量只能采用非接触式温度传感器 非接触式温度测量可采用红外测温分为单波段和双波段两种方式 单波段测温受焦距和距离的影响测量误差较大 双波段测温是通过两波段的对比进行测量受被测物体和环境影响较小并且可以安装得更远这样就不会由于目标大小和距离系数的原因将测温仪安装在特定的距离上由于光电比色计靠光谱对比分析得到试样的温度所以测量温度受波长的限制这就要求测量高温和低温要采用不同波长的比色计 又因为被控对象的温度
5、为 所以选用了 和 两组测温反馈温度控制是整个控制系统的核心目前广泛选用的器件有温控表、温控器、等 在中低温测量中主要采用普通国产温控表或 在高温测量中主要采用进口温控表和温控器超高温温度控制主要采用温控表和温控器图 所示为采用温控表的控制方案其采用光电比色计测温分别传送到对应段的温控表 每个温控表分别控制相应的开关电源温控表与 机通过 总线通信 这种控温方式存在以下问题:()温控表与电脑单独通信不利于三段温控的相互补偿影响试样温度整体性()温控表的响应周期为 而开关电源和光电比色计的响应周期为 满足不了加热快速性的响应要求()通信效率较低容易受到电磁干扰.工程与试验 .图 温控表构成系统单线
6、图图 所示为采用温控器的控制方案其采用光电比色计测温分别连接到对应段的温控器的通道温控器进行运算分析然后分别通过相应的输出通道控制开关电源温控器与 机通过以太网通信 这种控温方式不但解决了前述控制的弊端还有以下优点:()温控器可以对三路信号进行集中分析处理有利于三段温控的相互补偿温度同步性好()温控器的响应周期小于能够满足加热快速性的响应要求()通过以太网与 机相连通信效率和稳定性较高 由此可见由温控器组成的系统比较容易实现对超高温加热的控制 控制系统硬件系统采用的温度控制器为中机试验装备股份有限公司自主研发 是在电拉和蠕变设备控制器的基础上改进而成图 温控器构成系统单线图该控制器的力和位移控
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