Методы и средства измерений электрических параметров процесса формирования покрытий при импульсном энергетическом воздействии в растворах
На правах рукописи
Бориков Валерий Николаевич МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ В РАСТВОРАХ Специальность 05.11.01 – Приборы и методы измерения (измерение электрических и магнитных величин)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Томск – 2012 2
Работа выполнена в Национальном исследовательском Томском политехническом университете
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Муравьев Сергей Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Совлуков Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор Гольдштейн Александр Ефремович доктор технических наук, профессор Бирюков Сергей Владимирович
Ведущая организация: Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», г. Москва
Защита состоится 29 марта 2012 г. в 15 часов на заседании совета по за щите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.09 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634028, Россия, г. Томск, ул. Савиных, 7, ауд. 215 (актовый зал).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 53.
Автореферат разослан _ февраля 2012 г.
Учёный секретарь совета Д212.269. кандидат технических наук, доцент Б.Б. Винокуров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
Практически во всех отраслях, деятельность которых связана с производ ством приборов, машин, механизмов, металлоконструкций, важнейшим видом обработки является формирование покрытий на поверхности изготавливаемых деталей. Наряду с традиционными технологиями поверхностной обработки де талей в растворах все большее применение находят технологии с использова нием энергетического импульсного воздействия, в которых формируются нано структурные неметаллические неорганические покрытия, что позволяет отно сить их к числу перспективных технологий получения и обработки конструк ционных и функциональных наноматериалов.
Большой вклад в развитие научных исследований в этой области внесли Г.А. Марков, Л.А. Снежко и В.И. Черненко, П.С. Гордиенко, И.В. Суминов и А.В. Эпельфельд, Л.Т. Бугаенко, В.Н. Малышев, А.В. Тимошенко, П. Курц (P.
Kurze) и Г. Маркс (G. Marx), Д. Албелла (J. Albella) и И. Монтеро (I. Montero), А.Л. Ерохин (A.L. Yerokhin) и др. В работах А.И. Мамаева впервые заявлено о применении импульсного энергетического воздействия в растворах, как наибо лее эффективного способа формирования покрытий заданной толщины, порис тости и состава на вентильных металлах и их сплавах.
Дальнейшее совершенствование, как самих этих технологий, так и необхо димого для их внедрения высокопроизводительного оборудования, невозможно без создания соответствующих средств измерений и контроля параметров каче ства получаемого покрытия и процесса его нанесения.
Характерной особенностью процессов импульсного энергетического воз действия является большой динамический диапазон изменения электрических параметров процесса формирования покрытий: напряжений – от 100 до 1000 В и токов через границу раздела – от 10 до 10000 А при длительности импульса от 50 до 500 мкс. При малых длительностях энергетического воздействия фор ма импульса оказывает значительное влияние на качество покрытия, такие как толщина и пористость. Поэтому важно с достаточной для практики точностью измерять электрические параметры процесса с целью анализа формы энергети ческого воздействия и целенаправленного управления технологическим про цессом и, следовательно, качеством покрытия определенного функционального назначения.
Знание формы сигнала воздействия и его отклика на это воздействие по зволяет, используя современные информационные технологии, эффективно решать вопросы идентификации состояния системы, и, в конечном счете, опре деления косвенными методами качества сформированного покрытия.
Таким образом, диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи, заключающейся в разработке методов и средств измерений электриче ских параметров процессов при импульсном энергетическом воздействии в рас творах электролита, позволяющих производить оценку качества получаемых покрытий в процессе обработки.
Актуальность работы подтверждена включением данной тематики в ана литическую ведомственную целевую программу (АВЦП) Рособразования и Фе деральную целевую программу (ФЦП) Министерства образования и науки, а также в ведомственные программы Роснано и Роскосмос.
Цель диссертационной работы заключается в создании методов и средств анализа формы тока и напряжения микроплазменного процесса при импульсном энергетическом воздействии в растворах, обеспечивающих кон троль качества покрытий металлических изделий на стадии их формирования.
Основными задачами
диссертационной работы в связи с поставленной целью являются:
1. Анализ существующих методов энергетического воздействия для нанесе ния покрытий в растворах, выявление электрических параметров процес сов и диапазонов их изменений для адекватной оценки формируемого по крытия и получения информации о состоянии процесса микроплазменного оксидирования с целью управления качеством формируемого покрытия требуемого функционального назначения.
2. Разработка математической модели начальных стадий микроплазменного процесса в терминах электрических величин и доказательство ее адекват ности.
3. Разработка методов измерения электрических параметров математической модели начальных стадий микроплазменного процесса и оценивание их точности.
4. Разработка новых технических решений для средств измерений электриче ских параметров процесса микроплазменного оксидирования в импульс ном режиме.
5. Разработка принципов построения и создание системы автоматизирован ного сбора, анализа и представления данных о микроплазменном процессе.
Методы исследований. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электрических цепей и идентификации систем, теории погреш ностей, математической статистики, системного анализа, математического мо делирования, дифференциального и интегрального исчисления с использовани ем уравнений Фика и преобразований Лапласа. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты MATLAB, Mathcad, ANSYS, LabVIEW.
Экспериментальные исследования проводились в производственных и лабора торных условиях.
Научная новизна.
1. Разработана и исследована математическая модель начальных стадий мик роплазменного процесса, учитывающая связь между протекающим через раствор током и напряжением поляризации, и обеспечивающая возмож ность контролировать качество формирования покрытия путем измерения параметров электрической цепи микроплазменной системы.
2. Предложен метод определения параметров математической модели (со противления и емкости границы раздела, сопротивления раствора, индук тивности токоведущих проводов) микроплазменного процесса, основан ный на анализе формы энергетического воздействия и отклика на него (защищен патентом РФ № 2284517).
3. Разработан метод идентификации материала подвергаемого оксидирова нию изделия, позволяющий на основе информации об электрических па раметрах микроплазменного процесса адаптировать его к свойствам этого материала (защищен патентом РФ № 2281487).
4. Разработана конечно-элементная модель, конструкция и метод оценки метрологических характеристик коаксиального шунта с улучшенными ди намическими характеристиками, предназначенного для измерения мгно венных значений тока микроплазменного процесса (решения защищены патентом РФ № 80585).
5. Предложены структура, принципы построения и практическая реализация измерительной информационной системы, позволяющей в реальном вре мени измерять характеризующие микроплазменный процесс ток и напря жение в широком динамическом диапазоне с адаптивным высоким разре шением.
6. Предложены технические решения по построению источников импульс ных энергетических воздействий с программируемой формой фронта им пульса, получившие широкое промышленное внедрение (патент РФ № 2330353, сертификаты об утверждении типа средства измерения РФ № 28856-05).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель начальных стадий микроплазменного процесса, полученная на основе линейных цепей, позволяет описывать изменение тока в растворе от поляризационного напряжения на начальных стадиях формирования барьерного слоя, причем параметры модели характеризуют качество покрытия.
2. Метод определения электрических параметров микроплазменного процес са, основанный на анализе формы, как энергетического воздействия, так и отклика на него, позволяет определить параметры эквивалентной схемы электрической цепи микроплазменной системы.
3. Новый метод идентификации материалов, основанный на анализе элек трических параметров микроплазменного процесса, обеспечивает возмож ность его адаптации к свойствам материала.
4. Обоснованная теоретически и экспериментально конструкция коаксиаль ных шунтов для измерения мгновенных значений тока быстропротекаю щих микроплазменных процессов с высокими метрологическими характе ристики (погрешность 0,5 % в диапазоне от 100 А до 20 кА при скорости нарастания тока до 107 А/с).
5. Измерительная информационная система, структура и ее принципы по строения позволяют в реальном времени измерять характеризующие мик роплазменный процесс ток и напряжение в широком динамическом диапа зоне с адаптивным высоким разрешением (до 50 мВ в диапазоне от 0 до кВ при скорости изменения напряжения до 108 В/с).
6. Предложенные технические решения для создания источников импульс ных энергетических воздействий напряжением от 100 В до 1000 В с дли тельностью фронта не менее 10 мкс и регулируемой формой импульса по зволяют формировать покрытия с заданными свойствами и оценивать их качество.
Практическая значимость результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволяют создавать измерительное оборудование позволяющее изучать кинетику и механизм процессов формирования покрытия в зависимости от режимов локализации энергии высокой плотности, природы и состава фаз. Результаты идентификации микроплазменных процессов в раство рах по вольтамперным характеристикам отражены в отчете АВЦП по гранту 2.1.2.5273 и в отчете по научно-исследовательской работе на тему «Исследова ние возможности разработки высоковольтного высокочастотного измерителя формы сигнала» выполненного по х/д № 1-82/02 для ООО «Техника и техноло гии электрохимии».
Полученные в работе результаты полезны разработчикам систем контро ля и измерения формы токов и напряжения сложной формы в силовых установ ках различного назначения, например в электроэнергетике, в сварочной техни ке, в электрохимических технологиях и т.д., в получении интегральных харак теристик объекта исследования и принятии эффективных решений управления технологическими процессами.
Результаты работы могут также способствовать созданию и совершенст вованию методов и средств метрологического обеспечения систем измерений больших импульсных токов и напряжений и могут использоваться при разра ботке методик выполнения измерений в испытательных лабораториях силового оборудования, а также в процедурах аккредитации и подтверждения компетен ции этих лабораторий.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований по теме диссертации использованы при выпол нении под руководством и при непосредственном участии автора следующих хоздоговорных и госбюджетных НИР:
• Разработка компьютерной системы измерения параметров фронта высоко вольтных импульсов по заказу ООО "Техника и технология электрохимии", г. Томск, 2002 г., х/д № 1-82/02.
• Разработка установки «Корунд» по нанесению кальцийфосфатных покрытий, содержащих гидроксиапатит, на титановые имплантаты методом микродуго вого оксидирования по заказу Института физики прочности и материалове дения СО РАН, г. Томск, 2004 г., контракт 01KR/03/RU с университетом Да еджин (Южная Корея).
Разработка компьютерной системы измерения больших токов по заказу ОАО • "Новосибирский завод химконцентратов", г. Новосибирск, 2004-2005 гг., х/д № 1-27/04у.
Разработка измерительного интегрирующего преобразователя «Квант-2» по • заказу Сибирского государственного научно-исследовательского института метрологии, г. Новосибирск, 2006 г.
Разработка линии нанесения функциональных и декоративных керамических • покрытий в рамках программы британо-российского партнерства "Атомные города" по заказу ООО «Русский профиль», г. Красноярск, 2005-2006 гг., х/д № 52.
Разработка компьютерной системы измерения и управления для малогаба • ритного бетатрона на энергию до 4 МЭВ по заказу научно-исследователь ского института интроскопии, г. Томск, 2005, х/д № 1-166/05у.
Грант 2.1.2.5273 «Параметрическая идентификация микроплазменных про • цессов в растворах по вольтамперным характеристикам», АВЦП Рособразо вания "Развитие научного потенциала высшей школы", 2006-2007 гг.
Разработка и создание программируемого генератора напряжения по заказу • НИИ автоматики и электромеханики, г. Томск, 2007 г., х/д 1-10/07.
Разработка источника питания для нанесения покрытий методом микроплаз • менного оксидирования «CORUND M1» по заказу ООО «Сибспарк», г.
Томск, 2009 г.
Разработка линии по нанесению наноструктурных неметаллических неорга • нических покрытий «Allinе-4» в рамках программы ОАО «РОСНАНО» по направлению «Машиностроение и металлообработка» по заказу ООО «МА НЭЛ», 2010-2011 гг., х/д № У03/01-10 и № У06/03-11.
Изготовление и поставка автоматизированного измерительного комплекса по • заказу ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений, п. Менде леево Московской области, 2010 г., х/д 1-76/10у.
Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной Рос • сии» на проведение исследований по теме «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными динамическими характери стиками», 2010-2012 гг., госконтракт 1.387С.2010.
Грант по постановлению Правительства РФ № 218 на тему «Разработка уни • фицированного ряда электронных модулей на основе технологии "система на-кристалле" для систем управления и электропитания космических аппара тов (КА) связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длитель ным сроком активного существования», направление 3.2 – разработка техно логии формирования слоистых наноструктурных неметаллических неоргани ческих покрытий и материалов, пригодных для изготовления функциональ ных изделий по договору от 7 сентября 2010 г. № 13.G25.31.0017 между ОАО "ИСС" и Минобрнауки России.
Поддержка работ Российским фондом фундаментальных исследований в 2006 г. (РФФИ № 06-08-07073-з).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях:
Региональной научно-практической конференции "Радиотехнические и инфор мационные системы и устройства" (Томск, 1994);
III-й Международной конфе ренции "Измерения, контроль, автоматизация производственных процессов" (Барнаул, 1994);
Всероссийской научно-практической конференции с междуна родным участием "Проблемы сертификации и управления качеством" (Красно ярск, 1997);
Международной научно-практической конференции "Качество стратегия 21 века" (Томск, 1998, 1999, 2005);
4-ом Корейско-Российском меж дународном симпозиуме по науке и технике "КОРУС 2000" (Томск, 2000);
2-й и 3-й Международных научно-технических конференциях "Измерение, контроль, автоматизация" (Барнаул, 2001, 2002);
7-й и 9-й Международных конференциях по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками (Томск, 2004, 2008);
IX Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (Кемерово, 2004);
Международном научно практическом семинаре "Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике" (Киев, Ук раина, 2005);
51-ом и 52-ом Международных научных коллоквиумах (IWK) "Информационные технологии и электротехника – устройства и системы, мате риалы и технологии для будущего" (Ильменау, Германия, 2006, 2007);
XVIII-ом Всемирном Конгрессе IMEKO "Метрология для устойчивого развития" (Рио де-Жанейро, Бразилия, 2006);
Международных сибирских конференциях IEEE (SIBCON) по управлению и связи (Томск, Россия, 2007, 2009);
9-ом Междуна родном симпозиуме ИМЕКО ТК 14 (ISMQC) "Измерения и контроль качества" (Мадрас, Индия, 2007);
16-ом Международном симпозиуме IMEKO TК 4 "Пер спективы развития приборов и методов для электрических и электронных из мерений” (Флоренция, Италия, 2008);
17-м симпозиуме IMEKO TК4 "Измери тельные приборы эры информационных и коммуникационных технологий" (Кошице, Словакия, 2010).
Разработанный с участием автора информационно-измерительный ком плекс для технологических линий нанесения наноструктурных покрытий в но минации «Новые высокотехнологичные разработки оборудования и наукоемкие технологии» удостоен диплома I степени с вручением Золотой медали на XVII международной выставке-конгрессе “Высокие технологии. Инновации. Инве стиции” (Hi-Tech’2011), проходившей с 15 по 17 марта 2011 г. в г. Санкт Петербурге.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы под тверждается совпадением с достаточной точностью расчетных данных с вольт амперными характеристиками, полученными при проведении экспериментов во время нанесения покрытий при энергетическом воздействии в растворах на из делиях из титана, алюминия и магния. Достоверность научных положений и выводов также основана на корректном использовании общепризнанных зако нов и положений электрохимии и электротехники.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, из них: 1 монография, 4 патента Российской Федерации и 22 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 214 наименований и приложения.
Общий объем работы – 302 страницы, включая 109 рисунков и 18 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро вана цель исследований, определены решаемые задачи, указаны научная новиз на и практическая ценность результатов работы.
В первой главе "Микроплазменные процессы формирования покрытий" рассмотрен объект исследования – микроплазменный процесс, приведена его классификация, определены характеристики электрических сигналов энергети ческого воздействия и дан обзор методов и средств управления качеством фор мируемого покрытия.
При микроплазменном оксидировании изделие помещается в ванну с электропроводящим раствором, выполняя роль одного из электродов. В качест ве другого электрода можно использовать корпус металлической ванны. При подаче напряжения на электроды в цепи последовательно соединенных элемен тов (рис. 1) протекает электрический ток от источника питания через металли ческое изделие (электрод) и электролит. Второй электрод исключается из рас смотрения, так как обладает малым поляризационным сопротивлением и пло щадью в десятки раз превышающей площадь обрабатываемого изделия. В ре зультате имеем микроплазменную систему, состоящую из источника энергети ческого воздействия, изделия и электролита.
Прохождение электрического тока вызывает образование оксидов метал лов на поверхности изделия-электрода, что приводит к увеличению сопротив ления области раздела электрод-раствор. По мере повышения напряжения про исходит пробой оксидной пленки, сопровождающийся искрением. При даль нейшем возрастании напряжения интенсивность искрения увеличивается, при чем характер разрядов меняется от искрового до дугового. В результате на по верхности формируется наноструктурное неметаллическое покрытие. Основ ными показателями качества таких покрытий являются их пористость и толщи на, которые, в свою очередь, определяют свойства покрытия для конкретного функционального назначения, такие как твердость, механическая и электроизо ляционная прочность, теплопроводность, коррозионная стойкость, износостой кость и т.д.
Источник Устройство энергетического повышения АЦП воздействия разрешения Компьютер Измерительный Изделие (электрод) электрод Шунт Ванна Раствор (противоэлектрод) Рис. 1 Микроплазменная система Известно, что качество покрытия зависит от параметров энергетического воздействия, т.е. амплитуд напряжения и тока в диапазонах от сотен до тысяч вольт и от единиц ампер до десяти килоампер соответственно, а также полярно сти и формы сигнала воздействия. При стационарных и медленно меняющихся энергетических воздействиях, для оценки качества покрытия обычно измеряют средние значения тока и напряжения, которые характеризуют микроплазмен ный разряд при электрическом пробое сформированного покрытия.
В настоящее время на промышленный уровень выходят методы микро плазменного оксидирования основанные на быстроменяющемся (импульсном) энергетическом воздействии, где скорость изменения напряжения достигает значений 108 В/с, а плотность тока – 600 А/дм2. К таким методам относится ме тод обработки поверхности изделия импульсным напряжением квазипрямо угольной формы. Данный метод позволяет наносить функциональные покрытия с меньшими энергетическими затратами, но при этом в области раздела двух сред одновременно присутствуют химические, электрохимические, плазменные и термические процессы, что затрудняет анализ и контроль качества покрытия.
В результате изучения состояния проблемы формирования покрытий на металлические изделия методом микроплазменного оксидирования при воздей ствии импульсным напряжением получены следующие выводы:
1. В отличие от медленно меняющихся энергетических воздействий, энергия импульсного воздействия на область раздела металл-электролит может дос тигать значений на уровне энергий образования веществ. Это приводит к возникновению новых химических и физических реакций, как в теле веще ства, так и в области раздела, что обеспечивает возможности создания каче ственно новых покрытий. Следовательно, импульсный режим микроплаз менных процессов является перспективным, и необходимо для его широкого применения разрабатывать методы и средства, обеспечивающие контроль качества покрытий металлических изделий на стадии их формирования.
2. Традиционно качество покрытия оценивается на основе средних, действую щих и амплитудных значений тока и напряжения микроплазменного процес са, что является обоснованным и приемлемым для стационарных и медленно меняющихся энергетических воздействий. Однако в импульсном режиме микроплазменного процесса формирование покрытия сопровождается изме нением формы электрического тока. Тогда обработка мгновенных значений тока и напряжения может обеспечить получение дополнительной информа ции о качестве формируемого покрытия. При этом необходимо решать про блему рациональной дискретизации сигналов по времени и по амплитуде.
3. Анализ быстропротекающих процессов устанавливает следующие требова ния к средствам измерений тока и напряжения: они должны работать в ши роком диапазоне амплитуд и частот с адаптивным разрешением, позволяю щим детально рассматривать малые изменения сигнала в присутствии боль ших постоянных составляющих.
4. Существует необходимость разработки математической модели, позволяю щей в терминах электрических величин адекватно характеризовать качество покрытия. Из-за отсутствия такой модели при формировании покрытия тре буемого функционального назначения обычно стараются обеспечить нахож дение электрических параметров в определенных границах, значения кото рых получают экспериментально во время отработки технологии. Для опе ративной подстройки технологического процесса и снижения затрат при “конструировании” новых неметаллических, неорганических покрытий тре буются более совершенные экспресс-методы контроля их качества непо средственно в процессе их формирования.
5. Свойства покрытий, получаемых при микроплазменном оксидировании, за висят от многих факторов: типа электролита, материала и геометрических размеров обрабатываемого изделия, свойств источников энергетического воздействия, технологических режимов. Необходимо разработать учиты вающие эти сложности принципы создания системы автоматизированного сбора, анализа и представления данных о микроплазменном процессе.
Во второй главе " Математическое моделирование процесса формирова ния покрытий при импульсном энергетическом воздействии" описана матема тическая модель в терминах электрических величин для контроля качества по крытий в процессе их формирования, а также приводятся результаты ее иссле дования.
Разработка модели.
При подаче импульсного напряжения микроплазменные разряды возни кают не сразу, а по истечении 20 мкс. Поэтому можно предположить, что в на чальный период энергетического воздействия, когда формируется барьерный слой, на поверхности изделия идут только электрохимические реакции. Следо вательно, начальная стадия микроплазменного процесса может быть описана электрохимической моделью. В основу этой модели положена эквивалентная цепь электрохимической ячейки с одним поляризующим электродом при усло вии, что вспомогательный электрод (противоэлектрод) не поляризуется. Для анализа начальной стадии микроплазменного процесса предложена эквива лентная электрическая схема (рис. 2), которая включает в себя параллельное соединение активного сопротивления Rг и емкости Сг границы металл-раствор, сопротивление раствора Rр и индуктивность подводящих проводов источника энергетического воздействия Lи. Индуктивность Lи играет в модели существен ную роль, вследствие высокой скорости нарастания фронта импульсного воз действия.
Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема начальной стадии микроплазменного процесса Исходя из предложенной модели, поведение цепи будет определяться свойствами поляризующего изделия-электрода. Изменение толщины и порис тости покрытия можно характеризовать электрическими параметрами эквива лентной схемы, а именно эквивалентным сопротивлением Rг и емкостью Сг границы металл-раствор. Вследствие этого энергетическое воздействие стано вится инструментом оценивания качества покрытия в процессе его нанесения и используется как стимулирующий сигнал для измерения параметров эквива лентной схемы.
В работе проведен анализ (операторным методом) реакции предложенной модели на воздействие прямоугольной (для двух случаев при Lи = 0 и при Lи 0) и трапецеидальной формы при Lи = 0. Ниже приведены результаты этого анализа.
Прямоугольное воздействие, Lи = 0. При этом воздействии c амплитудой U [В] ток (рис. 3), протекающий в микроплазменной системе определяется формулой:
t Rг м Rг Rр U e + 1, м = I (t ) = Cг. (1) ( Rр + Rг ) Rр ( Rг + Rр ) В этом случае параметры эквивалентной схемы имеют следующий вид:
I (t ) + I (t2 ) U U U tx, если I (t x ) = Rр =, Rг =,C = (2) I (t2 ) I (t1 ) г Rг Rр I (t1 ) ln Rг + Rр I I(t1) I(tx) I(t2) 0 t t1 tx t Рис. 3. Ток в микроплазменной системе при прямоугольном воздействии, Lи = Трапециевидное воздействие, Lи = 0. При этом воздействии со скоростью изменения напряжения [В/с] зависимость изменения тока (рис. 4) будет опре деляться формулами:
t Rг2Сг Rг2Сг t e м, I (t1 ) = + 2 ( Rр + Rг ) ( Rр + Rг ) ( Rр + Rг ) (t x t1 ) tx Rг2Сг Rг2Сг t1 м e м, I (t x ) = + e ( Rр + Rг ) ( Rр + Rг ) 2 ( Rр + Rг ) (t x t1 ) t1 I (t ) + I (t2 ), Сг =, если I (t x ) = I (t2 ) =. (3) Rг Rр ( Rр + Rг ) ln Rг + Rр I I(t1) I(tx) I(t2) 0 t t0 t1 tx t Рис. 4. Ток в микроплазменной системе при трапецеидальном воздействии, Lи = Прямоугольное воздействие, Lи 0. Реакция системы имеет вид:
p1 p2Cг Rг p2t ( ) U p1 p e e p1t + e p2t e p1t + 1, (4) I (t ) = ( Rг + Rр ) ( p2 p1 ) ( p2 p1 ) ( p2 p1 ) b ± b 2 4 a c L Rр где p1,2 =, a = Lи, b = и + Rр, с = 1 +.
2a Cг Rг Rг Cг C R p + U Измерив значения Imax, I const = и tmax = ln г г 2 можно Rг + Rр p1 p2 Cг Rг p1 + определить Cг, Rг, Rр (рис. 5).
Рис. 5. Изменение тока микроплазменной системы при прямоугольном воздействии и наличии индуктивности токоподводящих проводов Для доказательства адекватности предлагаемой модели проведены экспе рименты по получению покрытий на металлических изделиях алюминиевых сплавов 2021, 7071, АМг, представляющие собой прямоугольные пластины площадью 1025 мм и толщиной 2 мм в 4-х компонентном электролите сле дующего состава: Na2HPO412Н2О – 40 г/л;
Na2BB4O710Н2О – 30 г/л;
H3BO3 – 20 г/л;
NaF – 10 г/л.
Путем измерения мгновенных значений тока и напряжений в цепи мик роплазменной системы были построены осциллограммы тока и определены значения параметров эквивалентной схемы, которые использовались в даль нейшем для имитационного моделирования в среде MATLAB (табл.1).
Таблица Экспериментальные данные при U = 250 В, Lи = 43 мкГн, Rи = 1,3 Ом, Rр = 5 Ом.
Время процесса, с Imax, А tmax, с Iconst, А Rг, Ом Cг, мкФ 120 24 0,7 18,4 7,2 1, 180 20,2 0,8 15,1 10,5 0, 240 18,2 0,8 13,5 12,4 0, 300 14,4 0,9 11,7 15,3 0, При моделировании (рис. 6), в качестве источника энергетического воз действия был использован источник постоянного напряжения, коммутируемый прерывателем. В качестве параметров выходного комплексного сопротивления моделируемого источника взяты параметры реального источника.
Рис. 6. Компьютерная модель в системе MATLAB Погрешность модели с учетом совокупности n погрешностей мгновенных значений тока микроплазменной системы для каждого i-го импульса, получен ного при разных значениях времени процесса, оценивалась по норме вектора i j = (i1, i 2,...,i n, 21, 2 2,..., 2 n, k1, k 2,..., kn ), равной = max i j, j = 1, 2, 3,..., n и i = 1, 2, 3,..., k.
Iм i j Iэ i j i j = 1 0 0 %, (5) Iэij где Iмij, Iэij – значения тока, определенные при проведении эксперимента и ком пьютерным моделированием, n – количество мгновенных значений при дискре тизации импульса k – количество импульсов.
Результаты моделирования и экспериментов по нанесению покрытий по казали, что погрешность модели начальных стадий микроплазменного процесса не превышает 3% (рис. 7).
Рис. 7. Сравнение данных тока микроплазменной системы полученных в результате моделирования и эксперимента: 1a, 1b – 3 мин;
2a, 2b – 4 мин;
3a, 3b – 5 мин;
где a – данные модели;
b – данные эксперимента.
Совпадение данных моделирования и эксперимента подтверждают адек ватность эквивалентной схемы процесса для импульсных воздействий, что, в свою очередь, служит обоснованием возможности контроля параметров микро плазменного покрытия по вариациям активного сопротивления Rг и емкости Сг границы металл-раствор.
В работе представлены (табл. 2) экспериментальные данные качества по крытия (толщины и пористости) и эквивалентные сопротивления и емкости границы металл-раствор, рассчитанные по измеренным мгновенным значениям тока и напряжения микроплазменной системы, для разных длительностей про цесса на алюминиевом сплаве 2021.
Таблица Связь параметров модели с толщиной и пористостью Время Толщина Количество Средний обра- Rг, Сг, Пористость пор на 1см покрытия h, диаметр ботки, Ом мкФ P, % мкм покрытия пор, мкм с 3,3х 60 9,7 1,40 4,16 0,92 0, 6,3х 180 8,5 1,6 8,16 4,70 1, 3х 300 10,8 1,26 9,13 4,11 0, 8,5х 600 9,6 1,43 11,33 16,89 1, 900 13,8 1,16 17,66 4,67 3,6х10 1, На рис. 8 приведены микрофотографии покрытий образцов на сплаве алю миния 2021 при различных длительностях процесса (при увеличении в 2500 и 1000 раз для каждой длительности).
а) б) в) г) д) Рис. 8. Микрофотографии покрытий образцов на сплаве алюминия 2021 при различных длительностях процесса, мин: а) 1;
б) 3;
в) 5;
г) 10;
д) Из рис. 8 видно, что на первых минутах покрытие начинает образовывать ся, а на третьей минуте оно становится тонким и пористым. С увеличением времени обработки поры начинают зарастать, наряду с появлением других пор, и к пятой минуте процесса получается равномерное мелкопористое покрытие.
С дальнейшим увеличением времени (более 10 минут) обработки происходит пробой уже сформировавшегося покрытия с образованием пор большего диа метра. При обработке в течение 15 минут образованные пробоем поры частич но зарастают, диаметр пор уменьшается.
Таким образом, электрические параметры микроплазменной системы яв ляются отображением толщины и пористости получаемого покрытия:
Rг = k1h/P, (6) Сг = k2P/h, (7) где k1 и k2 – коэффициенты пропорциональности, зависящие от состава элек тролита, P – пористость покрытия, h – толщина покрытия.
Задача определения рациональной частоты дискретизации и числа уров ней квантования.
Поскольку определение параметров Rг, и Сг выполняется на основе обра ботки мгновенных значений тока и напряжения, потребовалось решить задачу определения рациональной частоты дискретизации fд и числа N уровней кванто вания измеряемых электрических сигналов. Целевой функцией при этом явля ется минимизация погрешности вычисления параметров относительно пределов пр пр пр погрешностей Rг, Сг, Rр :
max( f д ( Rг ), f д (Сг ), f д ( Rр )) пр пр пр при Rг Rг, Сг Сг, Rр Rр (8) max( N ( Rг ), N (Cг ), N ( Rр )) Результаты расчетов приведены на рис. 9, из которых следует, что на ин струментальную погрешность в большей степени влияет частота дискретиза ции. Так, например, для обеспечения погрешности 3% частота должна быть не менее 10 МГц.
в) Сг б) Rг a) Rр Рис. 9. Связь инструментальной погрешности определения параметров Rр, Rг и Сг эквивалентной схемы с характеристиками квантования по времени и по уровню Метод измерения параметров модели.
В работе показано, что при использовании трапециевидного энергетическо го воздействия можно выделить активную и емкостную составляющие тока микроплазменной системы I = I A + I C в процессе нанесения покрытия и на ос нове этих данных определить параметры, характеризующие качество покрытия:
Cг = I C / (dU п dt ), (9) U Rг = п, (10) IА где Uп – поляризационное напряжение, измеряемое между изделием и измери тельным электродом (см. рис. 1), размещенным в непосредственной близости от границы раздела.
По мгновенным значениям тока микроплазменной системы и поляризаци онного напряжения строится вольтамперная характеристика (ВАХ) при возрас тающем (рис. 10, кривая 1а) и убывающем (рис. 10, кривая 1б) энергетическом воздействии.
Рис. 10. Графическая иллюстрация сущности метода измерения параметров модели:
кривые 1а,1б показывают зависимость тока микроплазменной системы от поляризационного напряжения (ВАХ);
кривая 2 соответствует активной составляющей ВАХ;
кривая 3 – реактивной составляющей Токи на восходящей и нисходящей ветвях ВАХ определяются соотноше ниями:
I = I A + Cг dU п dt, (11) I = I A + Cг dU п dt (12) Величины dU п dt и dU п dt одинаковы при симметричном трапециевид ном импульсе поляризационного напряжения, но имеют разные знаки dU п dt = dU п dt. Алгебраическое сложение ВАХ (11) и (12) позволяет полу чить выражение для активного тока IA (рис.10, кривая 2):
I + I = 2I A, (13) а их алгебраическое вычитание дает выражение для емкостного тока IС:
I I = 2 Cг dU п dt = 2 I C. (14) Необходимо заметить, что использование поляризационного напряжения в ВАХ позволяет исключить влияние свойств электролита на результат измере ния.
Третья глава “Разработка и исследование преобразователей для измере ния больших импульсных токов” посвящена выбору первичного преобразова теля тока, протекающего в цепи микроплазменной системы.
Основные требования, предъявляемые к таким преобразователям, опре деляются спецификой исследуемого процесса. А именно: динамическим диапа зоном (от сотен ампер до десяток килоампер) и высокой скоростью нарастания тока (107 А/с), а также наличием электромагнитных помех микроплазменных разрядов.
Для оценки требований к частотным характеристикам преобразователей был рассмотрен спектр отклика на типовое импульсное воздействие с длитель ностью 200 мкс, длительностью фронта 10 мкс и скважностью 100. Результаты гармонического анализа отклика показали, что полоса пропускания преобразо вателей ток-напряжение должна составлять не менее 100 кГц.
В ходе теоретических и экспериментальных исследований широко ис пользуемых датчиков переменного тока (трансформаторов тока и их разновид ности – катушки Роговского, датчиков Холла, магнитооптических датчиков, магниторезистивных датчиков и резистивных датчиков) был сделан выбор в пользу резистивных шунтов для измерения больших импульсных токов микро плазменной системы, благодаря малой стоимости, линейности, высоким метро логическим характеристикам, помехозащищенности и сравнительной простоте изготовления.
Эквивалентная схема шунта содержит активное сопротивление R, пара зитные индуктивность L и емкость C, а полное сопротивление можно предста вить в виде:
L Z = R 1 + j RC. (15) R Так как типичное значение R составляет менее 0,1 Ом, влияние паразит ной емкости пренебрежимо мало вплоть до высоких частот. Для уменьшения реактивной составляющей погрешности шунта предпочтительнее использовать шунты бифилярной конструкции и, в частности, коаксиальной конструкции.
Магнитное поле в таких преобразователях сосредоточено в зазоре между ци линдрами, а внутри и снаружи цилиндров, образующих резистивную часть ко аксиального шунта, поле, создаваемое протекающим током, отсутствует и влияние электромагнитного поля микроплазменных разрядов минимизируется.
При этом существенным фактором, ограничивающим частотный диапазон, ста новится поверхностный (скин-) эффект. В этом случае передаточная характери стика для скачка тока амплитудой I0 имеет вид:
V (t ) I 0 R0 (1 e 6t / ), (16) где I 0 R0 – напряжение на выходе "идеального" шунта, – толщина стенки ре зистивной части шунта, – электрическая проводимость токовой цепи, – магнитная проницаемость резистивного материала.
На рис. 11. изображена предложенная конструкция коаксиального шунта, состоящая из двух трубок, по которым протекает ток в противоположных на правлениях, где 1 – токовые выводы;
2 – потенциальные выводы;
3 – цилиндр из манганина;
4 – медный цилиндр.
Для расчета конструктивных и электрических параметров коаксиального шунта для измерения импульсных токов в графической среде LabVIEW была разработана программа, позволяющая автоматизировать инженерные вычисле ния параметров шунтов применительно к конкретной измерительной задаче с целью оценки и выбора возможных вариантов конструкции.
Для учета краевых эффектов была построена модель разработанной кон струкции шунта с использованием метода конечных элементов в программном пакете ANSYS (рис. 12). Данная модель позволила оценить магнитное поле конкретной конструкции и получить индуктивность разработанного шунта с учетом токоподводящих и измерительных элементов конструкции. Расчет ин дуктивности при геометрических размерах шунта l = 140 мм (длина шунта), r3 = 45 мм (внешний радиус внутреннего цилиндра), r2 = 47 мм (внутренний радиус внешнего цилиндра) с помощью приближенной формулы было получе но значение 1,16·10-9 Гн, а с помощью конечно-элементной модели 10,41·10- Гн.
I+ I Рис. 12. Модель шунта с использованием Рис. 11. Конструкция коаксиального шунта метода конечных элементов На основе коаксиального шунта было разработано устройство (рис. 13) для измерения больших токов, которое введено в реестр средств измерений РФ и имеет следующие характеристики: диапазон измерений мгновенного значе ния амплитуды импульсного тока 100 … 20 000 А;
пределы допустимой основ ной погрешности измерения тока ± 5 %, диапазон измерений длительности им пульса 1…100 мс;
длительность фронта импульса 10 мкс.
Для шунтов с малым значением сопротивления порядка мкОм, исполь зуемых для измерения больших токов, разработан новый метод поверки (ка либровки), позволяющий производить поверку шунтов методом вольтметра амперметра с коррекцией погрешностей измерительных каналов по току и на пряжению на основе обратного преобразования. Метод позволяет определить относительную погрешность измерения активного сопротивления шунта по формуле:
1 v v 1 a a + (1 + v )2 1 v (1 + a )2 1 a v a v = 1 + v, a = 1 + a v a, (17) c = 2 1 a a 1+ (1 + ) 1 a a2 a где 1 – аддитивная погрешность измерения напряжения;
v – мультипликатив v a ная погрешность измерения напряжения;
1 – аддитивная погрешность измере ния тока;
a – мультипликативная погрешность измерения тока. На устройство для поверки получен патент РФ.
2 Рис. 13. Общий вид системы для измерения больших токов:
1 – шунт, 2 – осциллограф, 3 – компьютер В четвертой главе “Разработка и исследование средств измерений высо кого напряжения” приведены результаты проектирования устройств для иссле дования процессов при энергетическом импульсном воздействии на границу металл-раствор.
На рис. 14 представлена предложенная схема измерений электрических параметров микроплазменной системы. Источник энергетического воздействия (ИЭВ) формирует импульс трапециевидной формы с амплитудой от 0 до 3 кВ, частотой от 0 до 10 кГц и диапазоном изменения длительности импульсов мкс - 2000 мкс. Импульсы напряжения подаются на образец, находящийся в то копроводящей ванне с электролитом. Компьютерная система измеряет мгно венные значения тока микроплазменной системы I, напряжения U с выхода ИЭВ и снимаемого с электрода сравнения поляризационного напряжения Uп.
Поляризационное напряжение проходит через каналы измерения с грубым и высоким (Uп*) разрешениями.
Рис. 14. Блок схема проведения измерений с использованием компьютерной системы:
ИЭВ – источник энергетического воздействия, КИС – компьютерная измерительная система, 1 – изделие (электрод), 2 – измерительный электрод, 3 – ванна (противоэлектрод), 4 – раствор электролита Мгновенные значения параметров I, U, Uп, Uп* микроплазменной систе мы необходимы и достаточны для определения активной и емкостной состав ляющих тока, корректно описывающих микроплазменный процесс нанесения керамических покрытий в электролитах. Для реализации измерения сигнала с высоким разрешением в КИС используется устройство повышения разрешения измерительного канала (УПР), принцип действия которого базируется на выде лении для исследования части сигнала микроплазменного процесса (рис. 15).
Рис 15. Иллюстрация принципа исследования высокого напряжения Входной высоковольтный сигнал Uп* претерпевает ряд преобразований.
Вначале он уменьшается до уровня, согласованного с входным диапазоном УПР, исследуемый участок сигнала сдвигается к нулевому уровню напряжения, и затем усиливается для согласования его с входным диапазоном аналого цифрового преобразователя (рис. 16).
(U*п / Kд) - Uсм U*п / Kд Uвых U*п Усилитель Делитель ограничитель -Uсм Опорное RS 485 Uоп ЦАП Микроконтроллер напряжение Рис. 16. Структура устройства повышения разрешения измерительного канала Для предотвращения перегрузки по входу аналого-цифрового преобразо вателя в качестве усилителя используется усилитель-ограничитель.
Расчеты и экспериментальные исследования данного метода доказали возможность просматривать высоковольтный сигнал до 3 кВ с дискретностью 50 мВ при использовании цифрового осциллографа с 8-разрядным разрешением (рис.17, рис.18).
1 Рис 17. Исходный сигнал (1) и часть ис ходного сигнала, просматриваемая с боль Рис.18. Измерение сигнала с высоким разре шим разрешением с помощью шением УПР (2) Показано, что при использовании в УПР вычитающего усилителя и 16 разрядного ЦАПа, формирующего напряжение смещения, погрешность УПР по уровню сдв не превышает 0,1% и определяется по формуле:
0, 1 сдв = (цап,1 + цап,2 + цап,3 + цап,4 + дел ) + ну,1 + ну,2, 2 2 2 2 2 (18) 2 где цап,1 – погрешность от интегральной нелинейности ЦАП, цап,2 – от диффе ренциальной нелинейности ЦАП, цап,3 – от усиления, цап,4 – смещения нуля, дел – масштабного преобразователя сигнала сдвига по уровню, ну,1 – усиления нормирующего усилителя, ну,2 – смещения нуля нормирующего усилителя.
Пятая глава “Системы контроля и управления микроплазменными про цессами” посвящена описанию принципов проектирования измерительных ин формационных систем (ИИС) для исследования, контроля и управления про цессом формирования микроплазменных покрытий.
Разработана концепция автоматизации процесса получения покрытий. В ней выделяется четыре подсистемы контроля электрических параметров: про цесса, источника питания, раствора электролита, вспомогательного оборудова ния.
Формирование множества измеряемых электрических параметров про цесса позволяет ввести обратную связь для подсистем управления, использо вать их для диагностики природы сплавов обрабатываемого изделия, для про гнозирования и конструирования качества покрытий и, в конечном итоге, изме нения режимов технологического процесса.
Решение задачи осуществляется на основе многоуровневой архитектуры клиент-сервер с использованием модульного подхода и технологии виртуаль ных приборов. Применение модульного подхода заключается в построении ап паратных и программных устройств из более мелких унифицированных моду лей.
Для измерения электрических параметров процесса нанесения покрытий при импульсном энергетическом воздействии в растворах используется изме рительная информационная система, которая выполняет следующие задачи:
• сбор данных о форме импульсных сигналов тока и напряжения микро плазменной системы через заданные интервалы времени;
• первичная обработка сигналов микроплазменного процесса и их визуали зация;
• построение ВАХ по мгновенным значениям импульсных сигналов тока и напряжения в процессе проведения измерения;
• построение ВАХ в трехмерных координатах "ток-напряжение-время";
• построение зависимостей тока и напряжения от времени для различных продолжительностей процесса нанесения покрытия;
• постобработка сигналов микроплазменного процесса для последующего детального анализа.
Разработанная система реализована на базе компьютера, комплекта коак сиальных шунтов для преобразования тока в напряжение, устройства для по вышения разрешения измерительного канала и многоканального цифрового ос циллографа GDS-71062А (частота дискретизации сигнала 1 ГГц;
диапазон из мерения тока 0,05 А…20000 А;
диапазон измерения напряжений 0…1000 В).
Программное обеспечение написано в среде графического программирования LabVIEW. В его состав входят следующие модули:
• расширенная виртуальная панель осциллографа;
• конвертор вольтамперных характеристик;
• 3D визуализатор вольтамперных характеристик;
• анализатор электрических параметров микроплазменного процесса.
На рис. 19 представлен интерфейс с пользователем программного модуля "3D визуализатор вольтамперных характеристик", который выводит в двумер ном и трехмерном представлении полученные в различные времена от начала процесса осциллограммы импульсов тока и поляризационного напряжения, а также семейства ВАХ, построенные на основе этих данных.
Реализованная в составе программного обеспечения постобработка по зволяет определить:
• скорости изменения тока dI/dt и напряжения dU/dt для импульсных сигна лов;
• изменение интегральных характеристик импульсных сигналов тока I(t)dt и напряжения U(t)dt в течение процесса нанесения микроплазменного по крытия;
• активную или емкостную составляющие ВАХ микроплазменного процес са;
• изменение сопротивления границы раздела в процессе нанесения покры тия;
Рис. 19. Интерфейс модуля "3D визуализатор вольтамперных характеристик" С помощью разработанной измерительной информационной систем пока зано, что форма тока и ВАХ микроплазменной системы при импульсном трапе циевидном воздействии зависят от состава обрабатываемого материала (рис.
20).
I,A 8 - 0 50 100 150 200 U, B Рис. 20. Вольтамперные зависимости, полученные на сплавах различных марок в электролите состава: Na2HPO4х12Н2О – 12г/л;
Na2BB4O7х 10 Н2О – 3г/л;
H3BO3 – 3г/л:
1 – алюминиевый сплав 2021;
2 – магниевый сплав AM60B;
3 – алюминиевый сплав АМц, 4 – алюминиевый сплав АМг;
5 - магниевый сплав AZ91D;
6 – алюминиевый сплав Д16.
Это позволило разработать нейросетевой метод идентификации металлов и сплавов обрабатываемого изделия с помощью информации об электрических параметрах сигналов отклика микроплазменной системы на импульсное трапе циевидное воздействие. Для этого осуществляют предварительное обучение нейросети, используя мгновенные значения тока и напряжения, полученные во время микроплазменного процесса на образцах с известными свойствами.
Разработанный метод защищен патентом РФ № 2281487 и позволяет на основе информации о материале электрода-изделия производить коррекцию параметров энергетического воздействия для получения покрытия заданного качества. Экспериментальная оценка ошибки распознавания для сплавов алю миния (2021, 7071, АМг) и магния (AZ91D) при использовании в качестве ней росети однослойного персептрона составила 7,5 %. Показано, что точность рас познавания зависит от архитектуры нейросети и от количества нейронов.
Если ограничиваться определением параметров математической модели Rг, и Сг (рис. 2) на основе измерения мгновенных значений тока микроплаз менной системы и поляризационного напряжения, то возникает дополнитель ная погрешность, обусловленная неточным позиционированием измерительно го электрода (рис. 14). Если измерять электропроводность электролита Rр (рис.
2), то эта информация позволяет в значительной мере снизить влияние неточ ности позиционирования электрода. Для реализации этого подхода в работе предложен программно-аппаратный модуль кондуктометра. Предложенный модульный подход позволил, реконфигурируя структуру КИС (рис. 14), ис пользовать ее аппаратные модули – функциональный генератор и АЦП – для выполнения дополнительных функций измерения электропроводности элек тролита в диапазоне от 0,1 до 10 См/м с погрешностью не более 2,5 %.
Одним из основных элементов микроплазменной системы является источ ник энергетического воздействия. Разработана методика выбора структуры и параметров источников питания для конкретного вида микроплазменной обра ботки изделий. Методика представляет собой набор шагов, которые позволяют принять обоснованное решение по выбору для составления технического зада ния на проектирование интеллектуальных устройств микроплазменного окси дирования: задание площади обрабатываемого изделия;
задание плотности то ка;
оценка параметров эквивалентной цепи нагрузки;
расчет напряжения;
опре деление длительности импульса напряжения;
определение частоты следования импульсов напряжения;
определение потока энергии;
выбор источника первич ного электропитания;
определение способа накопления энергии;
определение количества модулей накопления энергии;
выбор модуля разрядного коммутато ра;
определение количества измеряемых параметров микроплазменного про цесса;
выбор измерительных модулей;
синтез структуры устройств;
синтез про граммного обеспечения.
В соответствии с изложенной методикой были разработаны источники энергетического воздействия, позволяющие производить обработку изделий площадью от 0,01 до 1 м2, внешний вид некоторых из них представлен на рис.
21.
a) б) в) Рис. 21. Внешний вид источников энергетического воздействия:
a) «Корунд», б) «Corund-M1», в) «Boy-2» В диссертации рассмотрены вопросы проектирования генераторов для фор мирования формы сигнала энергетического воздействия (прямоугольный, тре угольный, синусоидальный) и проектирование микропроцессорных щитовых измерителей мгновенных значений напряжения и тока, используемых в качест ве аппаратных модулей в составе источников энергетического воздействия.
В приложениях приведены акты внедрения и сертификат об утвержде нии типа средств измерений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Предложена математическая модель изменений напряжения и тока на гра нице раздела металл-раствор на начальных стадиях формирования барьерно го слоя для импульсного высокоэнергетического воздействия учитывающая выходной импеданс источника энергетического воздействия и отражающая качество получаемого (толщина и пористость) покрытия в терминах элек трических величин эквивалентной схемы микроплазменной системы. Про ведена экспериментальная проверка адекватности предложенной модели для начальных стадий формирования барьерного слоя при энергетическом им пульсном воздействии.
2. Разработан новый метод определения активной и емкостной составляющих тока микроплазменной системы, отражающих качество покрытия, возмож ность реализации которого основана на трапециевидной форме импульса энергетического воздействия и построении восходящей и нисходящей вет вей вольтамперной зависимости тока от поляризационного напряжения.
3. Разработан метод обработки мгновенных значений напряжения и тока мик роплазменной системы с помощью искусственных нейросетей, позволяю щий идентифицировать обрабатываемые металлы и сплавы с целью адапта ции процесса нанесения покрытия к свойствам материала.
4. Обоснована целесообразность использования в процессе микроплазменного оксидирования в импульсном режиме в качестве первичных преобразовате лей ток-напряжение коаксиальных резистивных шунтов;
проведено модели рование магнитного поля шунта, позволившее автоматизировать инженер ные вычисления его параметров. Разработанный шунт используется в соста ве измерительной системы, введенной в Государственный реестр средств измерений РФ. Разработан метод поверки (калибровки) шунтов, позволяю щий производить их поверку методом вольтметра-амперметра с коррекцией погрешностей измерительных каналов по току и напряжению на основе об ратного преобразования.
5. Предложен подход к проектированию измерительных информационных сис тем для исследования, контроля и управления процессом формирования микроплазменных покрытий, базирующийся на модульном подходе и техно логии виртуальных приборов. Предложена структура компьютерной систе мы измерения для исследования высоковольтных напряжений процессов при энергетическом импульсном воздействии на границу металл-раствор с адап тивным высоким разрешением. Разработано программное и аппаратное обеспечение ИИС, позволяющее автоматизировать процесс нанесения по крытий.
6. Разработана методика выбора структуры и параметров источников энерге тического воздействия для конкретного вида микроплазменной обработки изделий. Изготовленные источники, генераторы для формирования формы сигнала энергетического воздействия (прямоугольный, треугольный, сину соидальный) и микропроцессорные щитовые измерители мгновенных значе ний напряжения и тока используемых в качестве аппаратных модулей в со ставе источников энергетического воздействия доказали при эксплуатации свою надежность, эффективность и многофункциональность.
7. На предприятиях ООО “Русский профиль”, г. Красноярск, ОАО “Информа ционные спутниковые системы им. Решетнева” г. Железногорск, ООО “Ма нэл” г. Томск, ООО “Сибспарк”, г. Томск, разработаны технологии обработ ки металлов и сплавов, и внедрены технологические линии по нанесению функциональных и декоративных покрытий на базе разработанных источни ков импульсных энергетических воздействий: «Корунд», «Corund M1», «Boy», «Boy-2», «Boy-2M», «Boy-3», «Sibspark».
Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы внесен существенный вклад в решение важной народно-хозяйственной задачи по соз данию средств измерений электрических параметров для управления качеством микроплазменных покрытий и развитие технологий нанесения наноструктур ных неметаллических неорганических покрытий в различных сферах науки и производства.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ 1. Муравьев С.В., Бориков В.Н. Алгоритмы дискретной математики в изме рениях // Измерения, контроль, автоматизация. – 1992. – № 1-2(80). – С.
20-28.
2. Мамаев А.И., Дорофеева Т.И., Бориков В.Н., Мамаева В.А. Вольтам перные характеристики процесса нанесения оксидных и керамических по крытий в импульсном микроплазменном режиме на сплавы алюминия, ти тана и магния // Физика и химия обработки материалов. – 2004. – № 5. – С.
38-43.
3. Мамаев А.И., Бориков В.Н., Мамаева В.А., Дорофеева Т.И. Компью терная система измерения электрических параметров микроплазменных процессов в растворах // Защита металлов. – 2005. – Т. 41. – № 3. – С. 1-6.
4. Мамаева В.А., Мамаев А.И., Выборнова С.Н., Бориков В.Н., Дорофее ва Т.И. Исследование процесса формирования биоактивных покрытий на титане и его сплавах в импульсном микроплазменном режиме // Перспек тивные материалы. – 2005. – № 1. – С. 52-58.
5. Мамаева В.А., Мамаев А.И., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И., Будницкая Ю.Ю. Исследование циклических вольтамперных характеристик в про цессе микроплазменного формирования биокерамических покрытий на ти тане и его сплавах в щелочных электролитах // Физика и химия обработки материалов. – 2005. – № 3. – С.48-53.
6. Мамаев А.И., Дорофеева Т.И., Бориков В.Н., Мамаева В.А. Применение нейросетей для определения марки сплава при микроплазменном воздей ствии // Технология металлов. – 2006. – № 6. – С. 37-41.
7. A. I. Mamaev, V. N. Borikov, V. A. Mamaeva, and T. I. Dorofeeva A Computer System Measuring the Electrical Parameters of Microplasma Processes in Solutions // Protection of Metals and physical chemistry of surfaces. – Vol. 41. – No. 3. – 2005. – P. 254–258.
8. Borikov V. Neural Method Alloys Identification by the Microplasma Oxidation Process in the Electrolyte Solutions // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. – 2006 – Vol. 37. – No. 11. – P. 915-918.
9. Мамаев А.И., Дорофеева Т.И., Бориков В.Н., Мамаева В.А. Моделиро вание начальных стадий формирования покрытия на вентильных металлах при высоковольтном сильноточном импульсном воздействии // Физика и xимия обработки материалов. – 2007. – № 3. – С.35-43.
10. Бориков В.Н., Сарычев С.В., Мамаев А.И. Промышленный источник питания для микродугового оксидирования в водных растворах электроли та «Boy-2» // Приборы. – 2007. – № 6. – С.13-16.
11. Мамаев А.И., Дорофеева Т.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н. Адгезия и пластичность покрытий, полученных микроплазменным оксидированием титана // Технология металлов. – 2008. – № 3. – С. 33-37.
12. Мамаев А.И., Дорофеева Т.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н. Микро плазменное формирование биологически активных покрытий и их моди фицирование лекарственными препаратами // Перспективные материалы. – 2008. – № 3. – С. 51-59.
13. Доpофеева Т. И., Боpиков В. Н., Мамаева В. А., Мамаев А. И. Взаимо связь микpоплазменного пpоцесса фоpмиpования оксидных кеpамических покpытий на циpконии с вольтампеpными хаpактеpистиками // Технология металлов. – 2009. – № 5. – С. 35-39.
14. Muravyov S.V., Borikov V.N., Natalinova N.M. A Computer System:
Measurement of Welding Surge Current // Measurement & Control. – 2009. – Vol. 42/2 March. – P. 44-47.
15. Бориков В.Н., Ким В.Л., Меркулов С.В. Генераторы тестовых напряже ний // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2010. – № 1. – С.23-26.
16. Бориков В.Н. Автоматизированный расчет электрических и конструктив ных параметров коаксиальных шунтов в графической среде программиро вания LabVIEW //Приборы. – 2010. – № 3. – С. 42-46.
17. Баранов П.Ф., Бориков В.Н. Дистанционный лабораторный практикум на основе графической программной технологии // Дистанционное и вирту альное обучение. – 2011. – № 1. – С. 81-88.
18. Бориков В.Н., Баранов П.Ф. Концепция системы контроля и управления технологическими процессами формирования микроплазменных покрытий // Известия Томского политехнического университета. – 2011. – Том 318. – № 5. – С.120-125.
19. Бориков В. Н. Модульная система для измерения удельной электропро водности жидкости // Датчики и системы. – 2011 – № 5 – C. 40-43.
20. Muravyov S.V., Zlygosteva G.V., Borikov V.N. Multiplicative method for reduction of bias in indirect digital measurement result // Metrology and Measurement Systems. – 2011. – Vol. 18. – No. 3. – P. 481-490.
21. Бориков В.Н., Баранов П.Ф., Горисев С.А., Ряшенцев И.В., Цимбалист Э.И. Сетевая виртуальная лаборатория удаленного доступа по электротех нике // Открытое образование. – 2011. – № 4(87). – С.19-24.
22. Бориков В.Н., Баранов П.Ф., Цимбалист Э.И., Ким В.Л. Устройство для испытаний и поверки индуктивных делителей напряжения // Контроль.
Диагностика. – 2011. – № 11(161) – С. 41-45.
23. Бориков В.Н., Баранов П.Ф., Мамаев А.И. Программно-аппаратный комплекс для исследования микроплазменных процессов в растворах // Приборы. – 2011. – № 12. – С.53-59.
Монография 24. Мамаев А.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И. Формиро вание наноструктурных неметаллических неорганических покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. – 360 c.
Патенты 25. Патент РФ № 2281487. Автоматизированный способ идентификации ме таллов и сплавов / Мамаев А.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И. Опубл. 10.08.2006, Бюл. № 22.
26. Патент РФ № 2284517. Способ определения электрических параметров сильнотоковых импульсных процессов в растворах электролитах и компь ютерная система измерения / Мамаев А.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И., Бутягин П.И. Опубл. 27.09.2006, Бюл. № 27.
27. Патент РФ на полезную модель № 80585. Устройство для поверки шун тов / Муравьев С.В., Бориков В.Н., Наталинова Н.М. Опубл. 10.02.2009, Бюл. № 4.
28. Патент РФ № 2330353. Способ преобразования химической энергии в электрическую энергию и устройство для его осуществления / Мамаев А.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н. Опубл. 27.07.2008, Бюл. № 21.
Сборники материалов международных конференций 29. Mamaeva V.A., Mamaev A.I., Borikov V.N., Dorofeeva T.I., Bydnitskaia Yu.Yu. Bioactive Ceramic Coatings with Nanoporous and Nanocrystalline Structure Obtained by Microplasma Processes in Electrolytic Solutions // Nanoparticles, Nanostructures and Nanocomposites: Proc. Topical Meet. Europ.
Ceramic Society. – Russia, Saint-Peterburg, Juiy 5-7, 2004. – Р.58.
30. Mamaev A.I., Borikov V.N., Mamaeva V.A., Dorofeeva T.I. Computer Aided Measurement System of Electrical Parameters of Pulsed Microplasma Processes in Electrolytic Solutions // Proc. of 7 International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. – Russia, Tomsk, July 25 29, 2004. – P. 493-496.
31. Mamaev A.I., Dorofeeva T.I., Mamaeva V.A., Borikov V.N., Budnitskya, Makarov A.A. Voltammetry Characteristics of Ceramic Coatings Obtained by Pulse Microplasma Processes on Aluminium, Titanium and Magnesium Alloys // Proc. of 7 International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. – Russia, Tomsk, July 25-29, 2004. – P. 340-342.
32. Мамаева В.А., Мамаев А.И., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И., Будницкая Ю.Ю. Циклические вольтамперные зависимости в исследовании процесса микроплазменного формирования биокерамических покрытий на титане и его сплавах // Физико-химические процессы в неорганических материалах:
Труды IX Международной конференции. – Кемерово, 23-25 сентября 2004.
– Ч.2. – С.72-75.
33. Мамаев А.И., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И., Мамаева В.А. Компью терная система измерений для исследования импульсных микроплазмен ных процессов формирования керамических покрытий на вентильных ме таллах // Физико-химические процессы в неорганических материалах:
Труды IX Международной конференции. – Кемерово, 23-25 сентября, 2004. – Ч.2. – С.68-71.
34. Бориков В.Н., Коломоец Н.В. Прогнозирование изменения погрешности средств измерений с применением нейронной сети // Качество-стратегия XXI века: Материалы X Международной научно-практической конферен ции, 7-8 декабря 2005 г. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – С. 154-156.
35. Мамаев А.И., Бориков В.Н., Попова Е.А. Метрологическое обеспечение покрытий микродугового оксидирования // Качество-стратегия XXI века:
Материалы X Международной научно-практической конференции, 7-8 де кабря 2005 г. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – С. 138-139.
36. Бориков В.Н., Муравьев С.В. Компьютерная система измерений и реги страции параметров режима сварки // Повышение надежности сварных со единений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энер гетике: Доклады 2-го научно-практического семинара, 6-8 декабря 2005г. – Киев: Экотехнология, 2005. – С. 45-46.
37. Borikov V. Neural-method alloys identification by the microplasma process in the electrolyte solutions // Information technology and electrical engineering devices and system, materials and technologies for the future: Proc. of Internationales Wissenschaftliches Kolloquium (51.IWK), 11-15 September 2006. – Ilmenau: Verlag ISLE, 2006. – P. 321-322.
38. Muravyov S.V., Borikov V.N., Kaysanov S.A. Computer system for measurement of welding process parameters // Metrology for a Sustainable Development: XVIII IMEKO WORLD CONGRESS – Brazil, Rio de Janeiro, September 17 – 22, 2006. – P. 121.
39. Borikov V.N., Stukach O.V., Popova E.A. Control of the Microplasma Process in Electrolyte Solutions Based on STATISTICA Model // Proc. IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON 2007). – Russia, Tomsk, April 20-21, 2007. – P. 58-63.
40. Borikov V. Linear Parameter-Oriented Model of Microplasma Process in Electrolyte Solutions // Computer Science Meets Automation: Proc. of Internationales Wissenschaftliches Kolloquium (52.IWK). – Germany, Ilmenau, September 10-13, 2007. P. 89-94.
41. Borikov V. Measurement System for Coating Quality Control During High Current Process in Electrolyte Solution // Proceedings of the 9th Internatonal IMEKO Symposium on Measurement and Quality Control (ISMQC). – India, Madras, November 21-24, 2007. – P. 121-126.
42. Borikov V.N. Computer System for Measurement of High Voltage Signal during Plasma Process in Solution // Proc. of the 16th IMEKO TC- International Symposium “Exploring New Frontiers of Instrumentation and Methods for Electrical and Electronic Measurements” and 13th Workshop on ADC Modelling and Testing. – Italy, Florence, September 22-24, 2008. – P.
254-258.
43. Mamaeva V.A., Mamaev A.I., Borikov V.N., Dorofeeva T.I. Pulsed High Power Action and Technology of Nanostructural Bioceramic Coatings // Materials of 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. – Russia, Tomsk, September 22-26, 2008. – P. 367-368.
44. Borikov V.N., Baranov P.F., Bezshlykh A.D Virtual Measurement System of Electric Parameters of Microplasma Processes // Proc. IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2009). – Russia, Tomsk, March 27-28, 2009. – P. 275-279.
45. Borikov V. Virtual Electrolyte Conductivity Analyzer for Microplasma // Proc.
of 17th Symposium IMEKO TC4 “Instrumentation for the Information and Communication Technology Era”. – Slovakia, Kosice, September 8-10, 2010. – P. 14-18.