3000℃超高温通电加热试验装置控制系统研究.pdf

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制已经稳定运行多年系统具有三通道输入、输出的闭环控制能力而且可以相互协调、互无干扰 以 处理器为核心以 大规模可编程逻辑电路为辅助技术构建了硬件平台 以某款嵌入式操作系统为软件平台通过编程驱动程序和应用程序来完成控温算法、网络传输、人机交互等任务图 所示为温控器内部结构单线图该系统由嵌入式核心板、以太网接口电路、其它串行接口电路、开关量接口电路、路数模转换电路、路数据采集接口、人机交互接口等构成 各模块都是在经典电路的基础上加以优化稳定性在前期使用过程中得到了反复验证 系统可通过触摸屏和按键操作也可以通过上位机软件操作使用非常方便图 温控器内部结构 控制系统软件软件分为两部分一部分为控制器内部的控制软件另一部分是上位机控制软件 控制器内部的控制软件是核心包含了控制算法处理、数据分析、故障判断、通信变量收发、通信接口驱动等 上位机控制软件主要包括设定控制器参数、控温段数的选择、温度曲线的采集、温度曲线保存、温度曲线复查等人机交互界面软件界面如图 所示 调试过程中的问题及解决方案()升温过程中辅助电极与主电极不同步如图 所示这是由于软件中辅助加热上电时间常数设置较大还有辅助电极设置的上限功率不合适 合理设置上电时间常数和上限功率即可达到三段同步升温()拉伸试样三段控温过程中温度曲线出现锯齿波动达到目标温度时辅助电极温度出现局部超出目标温度现象如图 上部曲线所示这是因为辅助电极加热接触不严密大电流冲击产生放电 产生锯齿波是因为辅助电极加热接触不好大电流冲击产生放电影响了光电比色计的测量回路 每次放电就会产生一个锯齿随着放电的不断进行试样和辅助电极接触越来越差放电越来越严重这种恶性循环使局部温度过高超出目标温度或者产生较大的波动度.马双伟等:超高温通电加热试验装置控制系统研究图 上位机软件界面要解决这个问题可以在辅助电极和试样接触点加上几层碳纸或者提高试样和辅助电极的加工精度或者采用不同材质的辅助电极(比如/)这样就可以缓解放电问题减少锯齿波的出现图 拉伸试样升温曲线()控温过程中出现辅助电极温度波动较大的问题如图 所示 有两个因素可导致该问题的出现一是控制器的 参数设置不合理二是辅助光电比色计的测温点不在辅助电极与试样的接触点反馈产生较大的滞后 要解决这个问题首先要检查光电比色计的测温点在不在辅助电极加热处 若不在合适的位置会导致控制效果不好严重时将导致失控确定测温点没有问题后就需要调整控制器的 参数使之达到理想的控制效果图 拉伸试样升温曲线()压缩试样升温过程中产生曲线波动如图 所示 升温过程中试样需要与上下夹头保持良好的接触 为了避免升温过程中试样因受热膨胀过大而破坏要求升温过程中保持试样上力值稳定 保持过程中由于电拉试验机参数设置问题可能使试样脱离夹头导致通电断开温度下降 要解决这个问题可以通过调整试验机的 参数以减小力值波动也可以增大力保持的预负荷即使力保持过程中力值有波动试样也不会与夹头脱离图 压缩试样升温曲线()由于不同材质试样的电阻率不同试验开始一直选用高强石墨作为试样所以在换了电阻率较大的另一种材质的试样后出现升温到 时电压达到开关电源电压最大值后无法继续升温的问题 出现这个问题是因为前期设计没有足够的经验选择了低电压()大电流()试验中发现电流基本上不会超过 把开关电源改成、这个问题再也没有出现 结束语控制系统研制完成后进行了上百次的试验测试针对测试过程中遇到的问题不断地进行结构修改、参数修正解决了不同升温速度控制的兼容性问题、辅助电极放电对温度采集的影响、辅助电极夹持稳定性对控温精度的影响、出现局部高温点蚀对温度控制的影响等一系列难题温度控制系统最终达到了预期目标对约 的超高温可实现线性升温且控制稳定温度梯度控制在以内温度波动控制在以内三段加热在 范围内的温度梯度和温度波动度达到了预期的指标参考文献辛宝森.高温真空拉伸炉研究报告.试验机与材料试验():.刘利强张为马双伟等.高温与超高温服役工况试验装置综述与展望.新技术新工艺():.王慧张海青马双伟.高温水蒸气环境管道蠕变试验机.工程与试验():.彭建强马双伟刘利强等.燃气轮机用高温合金材料长时蠕变持久性能试验方法研究.工程与试验():.薛吉林刘孝亮范志超等.高温真空(充气)环境蠕变疲劳试验装置研发.工程与试验():.高庆忠.温度计量.中国计量出版社.舒海.模糊 控制算法设计及在电子烧结炉温度控制中的应用.长沙:中南大学.杨坚杨勇军.采用高温黑体式光纤温度计在线检测感应加热真空炉液相温场的可行性.计测技术():.严杰.超高温温度控制系统的研制.哈尔滨:哈尔滨工业大学.卢波姚丙南马双伟等.超高温真空(气氛)环境材料力学性能试验装置研发.工程与试验():.工程与试验 .