Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор и постановка. задачи исследования 12
Глава 2. Экспериментальное исследование процесса свч - термообработки влажных материалов 29
2.1. Экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и двухслойных структурах 29
2.2. Обсуждение полученных результатов 34
2.3. Мобильная СВЧ-установка для термообработки материалов с неограниченным объемом как объект управления 47
Глава 3. Разработка математической модели процесса свч-термообработки влажных материалов 52
3.1. Математическая модель термообработки влажных материалов с неограниченным объемом в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны 52
3.2. Метод определения коэффициентов затухания и отражения по экспериментальной кривой распределения температуры... 62
3.3. Процедура расчета момента догрева влажного материала до заданной температуры на заданной глубине 64
Глава 4. Разработка автоматизированной системы управления мобильной свч-установкой для термообработки материалов с неограниченным объемом 69
4.1. Экспресс-оценка влагосодержания методом СВЧ-облучения 69
4.2. Алгоритм управления мобильной СВЧ-установкой 75
4.3. Автоматизированная система управления мобильной СВЧ -установкой для термообработки материалов с неограниченным объемом 83
Выводы 88
Условные обозначения 90
Литература 93
Приложения 101
- Экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и двухслойных структурах
- Математическая модель термообработки влажных материалов с неограниченным объемом в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны
- Процедура расчета момента догрева влажного материала до заданной температуры на заданной глубине
- Алгоритм управления мобильной СВЧ-установкой
Введение к работе
Развитие технического прогресса в условиях рыночных отношений в экономике диктует концепцию существенного повышения эффективности производства и улучшения качества выпускаемой продукции на основе передовых достижений науки и техники, интенсификации производства, широкого внедрения автоматизированных систем управления. К числу научных направлений, призванных обеспечить, качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на применении ЭМ-методов воздействия на различные технологические процессы.
К числу ЭМ-методов воздействия относится сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев. В силу особых физических преимуществ (быстрый и управляє J мый прогрев материала1 в объеме вне зависимости от его геометрических, размеров, формы и коэффициента теплопроводности, отсутствие тепловой инерции нагревателя, отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем, возможность концентрации высоких энергий в небольших объемах) СВЧ-нагрев наряду с высокочастотным (ВЧ) нагревом позволяет по-новому решать, задачи термической обработки и; сушки материалов. Если в отношении эффективности использования СВЧ-нагрева в технологических процессах производства материалов. и изделий, как правило, каждый раз (при замене традиционной технологии на нетрадиционную) требуется конкретное технико-экономическое обоснование, то иначе обстоит дело с принципиально новыми технологиями. К числу таких, принципиально новых технологий относится СВЧ-технология термообработки, ставящая своей целью уничтожение грибков и вредителей. Технология применима как для диэлектрических материалов в строительных конструкциях (стены, полы, потолки из штукатурки, древесины, кирпичной кладки в различных сочетаниях), так и для предметов бытового назначения и произведений искусства (мебель, деревянные рамы старинных картин, книги). Конечно, технико-экономическое обоснование желательно и в этом
случае. Только проводить сравнение с традиционной технологией не представляется возможным, ввиду ее отсутствия.
В самом деле, известно, что для уничтожения домового гриба в древесине и кирпичной кладке необходимо осуществить разогрев этих материалов до 40°С, а затем некоторую выдержку при данной температуре. Однако, если обг рабатываемый материал представляет собой объект с неограниченным объемом (стена), очевидно, что традиционные, так называемые внешние источники подвода тепла, здесь практически неприменимы. Поэтому сопоставление с традиционной ; технологией может быть проведено весьма условно. Действительно, согласно [1], для того чтобы осуществить сквозной прогрев кирпичной кладки толщиной 230 мм до 40°С с помощью внешнего источника тепла (допустим, паяльной лампы) требуется 9 часов. В жилых и производственных помещениях стены оштукатурены, оклеены обоями, облицованы пластиком и т.п. Понятно, что в таких случаях использовать паяльную лампу для целей термообработки можно лишь теоретически. В результате СВЧ-нагрев является единственно возможным методом тепловой санитарной термообработки материалов в строительных конструкциях зданий. Следует заметить, что химические методы защиты древесины и деревяннных конструкций от вредителей недолговечны и эффективно действуют лишь в поверхностных слоях материала. Свидетельством тому, что технология борьбы с вредителями не разработана, являются действующие ГОСТ и СНиП, согласно которым пораженные грибком или жучком участки древесины в деревянных конструкциях следует вырезать и сжигать, а взамен их — устанавливать металлические протезы. Вряд ли нуждается в доказательствах утверждение о дороговизне, трудоемкости, а часто и нереальности осуществления подобных операций.
СВЧ-нагрев в поле плоской ЭМ-волны (аппаратурное оформление процесса - СВЧ-генератор с рупорным излучателем) позволяет эффективно проводить термообработку, а также сушку диэлектрических материалов в строитель
ных конструкциях жилых и производственных помещений, как на поверхности, так и в глубине. При этом время прогрева до требуемых температур составляет несколько минут.
Тем не менее, практической СВЧ-установки для данного назначения в России до сих пор не создано. К числу причин такого состояния вопроса следует отнести: неизученность технологических режимов процессов СВЧ-термообработки и сушки в строительных материалах и конструкциях, в том числе при их различной влажности и при различных сочетаниях составляющих материалов (штукатурка-дерево, штукатурка-кирпичная кладка), отсутствие не-разрушающих методов контроля влажности материалов с неограниченным объемом, недостаточный уровень разработки теории тепломассопереноса применительно к процессу термической обработки влажных материалов в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны, и, наконец, отсутствие разработок в области автоматизации установок СВЧ-нагрева с рупорным излучателем.
Диссертационная работа выполнялась в рамках внутривузовской Программы исследований «Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологии», которые в течение ряда лет ведутся в СПб — государственном технологическом институте в соответствии с одноименной Программой исследований РАН по важнейшим фундаментальным проблемам.
Цель работы. Математическое моделирование и алгоритмизация управления процессом СВ Ч-термообработки материалов с неограниченным объемом и разработка автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой указанного назначения.
В первой главе проведен критический анализ состояния вопроса в области методов математического моделирования и расчета СВЧ-установок, предназначенных для термообработки и сушки материалов. Подчеркнута спе цифика материалов - объектов настоящего исследования (материалы с неограниченным объемом).
Рассмотрены особенности і процесса санитарной термообработки, ставящего целью уничтожение грибков и насекомых в глубине материалов, в том числе разнородных по своему составу (штукатурка-дерево, штукатурка-кирпичная кладка). Кратко изложены физические основы СВЧ-нагрева, дана общая характеристика СВЧ-оборудования, используемого для целей термической обработки и сушки, в том числе лучевых СВЧ-камер. При критическом рассмотрении состояния вопроса в области расчета СВЧ-сушильных установок отмечается, что известные математические модели либо учитывают только стадию нагрева, либо без достаточных оснований упрощенно трактуют стадию сушки, например: влагосодержание на поверхности равно начальному влагосо-держанию. Кратко проанализированы методы экспериментального исследования процессов СВЧ-нагрева и сушки. На основании проведенного анализа состояния вопроса сформулированы задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию кинетики СВЧ-нагрева и поля температур в глубине влажных конструкционных строительных материалов (гипсовая штукатурка, древесина, кирпичная кладка), а также двухслойных структур: гипсовая штукатурка-древесина, гипсовая штукатурка-кирпичная кладка. Описаны методика приготовления образцов и методика экспериментального исследования. Анализ полученных зависимостей распределения температуры в глубине материалов проведен с использованием современных представлений теории распространения плоской ЭМ-волны в диэлектриках с потерями и теории тепломассопереноса. Экспериментальным путем определены режимы проведения процесса СВЧ-термообработки (времена СВЧ-облучения), обеспечивающие уничтожение домового гриба и жучка-точильщика в различных конструкционных строительных материалах. Рассмотрено устройство мобильной СВЧ-установки для термообработки материа лов, дан анализ установки данного типа как объекта управления. Сформулированы подходы к реализации расчетно-экспериментального метода экспресс-оценки влагосодержания в неоднородных материалах с неограниченным объемом (стена).
В третьей главе рассматриваются вопросы теории и расчета процесса СВЧ-термообработки материалов с неограниченным объемом. Разработаны физическая и математическая модели процесса. Математическая модель описывает нестационарный процесс распространения тепла в глубине однородных и неоднородных (двухслойных) материалов при их одностороннем СВЧ-облучении, а также сушку. Механизм сушки до достижения температуры фазового перехода интерпретирован как. диффузионный перенос влаги в жидком виде; после достижения температуры фазового перехода - как фильтрационный перенос пара. Предложен и разобран на примере расчетно-экспериментальный метод определения коэффициентов затухания и отражения ЭМ-волны в материале с неизвестными (или неполными) электрофизическими свойствами. Получены с оотношения: для расчета поля температур и поля влагосодержании Ё глубине однородных и неоднородных материалов (двухслойных структур) при их СВЧ-облучении. Получено выражение для оценки величины давления пара, развиваемого в материале при его интенсивной СВЧ-сушке. В заключение главы рассмотрены методика и примеры расчета параметров процесса СВЧ-термообработки, осложненного сушкой, в сопоставлении с экспериментом. Методика расчета предусматривает определение времени нагрева однородного материала и двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине.
Четвертая глава посвящена разработке автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом. Разработан и проанализирован на примерах расчетно-экспериментальный метод экспресс-оценки влагосодержания на вы соком уровне мощности (метод основан на непосредственном СВЧ-облучении материала и регистрации температурного распределения в его толщине). Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов с неограниченным объемом.
Автоматизированная система управления определяет момент догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине, при необходимости производит коррекцию времени догрева до заданной температуры на заданной глубине, исполняет операции, обеспечивающие перемещения СВЧ-установкис рупорной аЩ тенной на заданное расстояние в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения фиксированного участка. Численные значения температур, до которых следует производить разогрев материалов с целью уничтожения в них вредителей (домовой гриб, жучок-точильщик), уточнены с помощью дополнительно поставленных экспериментов по кинетике естественного охлаждения двухслойных структур.
Научная новизна. Разработана математическая модель, процесса СВЧ-термообработки однослойных и двухслойных влажных материалов. Модель описывает нестационарный процесс распространения тепла в толще материала и учитывает перенос влаги как путем диффузионного механизма, так и за счет фильтрационного движения пара. Получены соотношения для расчета поля температур и поля влагосодержаний в глубине однослойных и двухслойных материалов при их одностороннем СВЧ-облучении.
Предложен метод экспресс-оценки влагосодержания однослойных и двухслойных материалов с неограниченным объемом, основанный на анализе распределения температуры в их глубине. Метод предусматривает контрольное СВЧ-облучение, измерение температур в толще (числом, равным числу слоев), процедуру расчета влагосодержания.
Впервые разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом. Система управления определяет момент догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине, производит коррекцию времени нагрева, осуществляет операции по перемещению СВЧ-установки с рупорной антенной на заданное расстояние в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения фиксированного участка.
Практическая ценность. Определены технологические режимы процесса СВЧ-термообработки в строительных конструкциях, обеспечивающие уничтожение домового гриба в древесине и кирпичной кладке и жучка-точильщика в древесине. Показана высокая эффективность технологии СВЧ-термообработки как средства борьбы с вредителями в материалах строительных конструкций.
Разработана методика исследования объекта управления - мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов с неограниченным объемом, включающая методы косвенного определения влагосодержания и электрофизических свойств материалов непосредственно в процессе их СВЧ-облучения.
Разработанная в диссертации автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой может быть использована для тиражирования при практической реализации процессов СВЧ-нагрева различного технологического назначения.
Реализация результатов. Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой рекомендована к применению на объектах Министерства культуры РФ при проведении комплекса реставрационных работ.
Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств" (Краснодар, Кубанский государственный технологический универси
тет, 2002) и 16 Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Санкт-Петербург, СПб-государственный технологический институт, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано пять научных работ.
Экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и двухслойных структурах
В главе рассматривается методика и обсуждаются результаты экспериментального исследования процесса СВЧ-термообработки конструкционных строительных материалов. Исследование включало два этапа. На первом этапе в СВЧ-лучевой камере закрытого типа изучали однородные материалы различной влажности: гипсовая штукатурка, дерево, кирпич. На втором этапе объектами исследования служили двухслойные структуры различной влажности: гипсовая штукатурка — дерево, гипсовая штукатурка — кирпичная кладка. Анализ полученных зависимостей распределения температуры по толщине материалов выполнен с позиций теории распространения плоской ЭМ-волны в диэлектриках с потерями и на основе теории тепломассопереноса. Рассмотрено устройство мобильной СВЧ-установки для термообработки конструкционных строительных материалов с неограниченным объемом. Анализ установки как объекта управления дан с учетом специфики её использования для целей термообработки производственных и жилых помещений.
Экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и двухслойных структурах
Экспериментальное исследование температурного распределения в глубине конструкционных строительных материалов (т.е. диэлектрических материалов строительных конструкций, подверженных действию плесневых грибков и древесного точильщика) проводилось в лучевой СВЧ-камере закрытого типа. Экспериментальная установка (рис. 2.1) представляла собой СВЧ-генератор (выходная мощность Ро=750 Вт, частота ЭМ-поля f=2,45 ГГц) с рупорным излучателем (рупорной антенной) 2, опущенным внутрь технологического устройства 3.
Исследуемый материал 4 размещался на приспособлении (на рис.2.1 не показано), конструкция которого позволяла изменять расстояние до излучателя. Образцы для экспериментов во всех случаях по площади были в 1,5-2 раза больше площади раскрыва рупора (Spyn = 150 х 150 мм). В частности, образцы штукатурки имели размеры: 230 х 190 х 30 (20) (46) мм, образцы древесины: 330 х 200 х 220 мм, образцы кирпичной кладки: 250 х 180 х 120 мм. Двухслойные структуры штукатурка - древесина и штукатурка — кирпичная кладка получали наложением соответствующих материалов друг на друга. Температуры в глубине измерялись по І окончании каждого эксперимента с помощью термопар,, вводившихся в- заранее просверленные отверстия, расположенные в центральном сечении образца. Иначе говоря, измерение температур в толще осуществлялось в точках, проходящих через вертикальную ось симметрии! рупорного излучателя - рис. 2.2, 2.3. Температуры лицевой и обратной поверхностей образца измерялись дистанционно с помощью ИК-термометра, модели М8866. Влагосодержание образцов: из древесины контролировали до и по окончании каждого эксперимента с помощью кондуктометрического влагомера ЭВ-2К и весовым методом. Влагосодержание образцов из кирпича и штукатурки анализировали весовым методом: Оптимальное расстояние между рупорной антенной и поверхностью материала подобрано для древесины (с = 3 см) и для сокращения объема экспериментальной работы оставлено без изменений и в других случаях.
В экспериментах с древесиной образцы располагались таким образом, чтобы вектор электрического поля Е совпадал с направлением волокон, т.е. был параллелен им. На рис. 2.2: и рис. 2.3 представлены кривые распределения температур на поверхности (точнее, на заглублении от поверхности на 10мм) образца из древесины (ель) в направлениях соответственно вектора магнитного поля Н и вектора электрического поля Е. Большей равномерностью отличается кривая на рис.2.3, так как вектор Е параллелен узкой стенке волновода.
Из анализа кривых на рис.2.2, 2.3, которые следует интерпретировать как диаграммы направленности рупорного излучателя, может быть определена эффективная площадь термообработки материалов с помощью данного излучателя. Так, например, задавшись уровнем половинной мощности, получаем: 8офф = 81,5 х 85 мм.
На рис. 2.4-2.7 приведены экспериментальные зависимости распределения температуры в глубине однородных материалов, а на рис.2.8т 2.10 - аналогичные кривые для разнородных, двухслойных материалов.
Математическая модель термообработки влажных материалов с неограниченным объемом в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны
Физическая модель процесса составлена на основании проведенного экспериментального исследования температурного распределения в глубине влажных материалов при их СВЧ-облучении плоской ЭМ-волной (Глава 2). При разработке физической модели учитывались также выводы, сформулированные при анализе состояния вопроса (Глава 1).
Нагрев однородного и неоднородного (двухслойного) диэлектрического материала происходит за счет энергии плоской ЭМ-волны (волны, распространяющейся только в одном направлении) при ее нормальном падении на поверхность материала [13, 10]. Облучаемый с помощью рупорной антенны диэлектрик представляет собой материал с неограниченным объемом [8]; при этом нагреву подвергается только объем материала, находящийся в эффективной площади раскрыва рупора. Перенос тепла теплопроводностью к участкам необлученного объема материала при требуемых технологией данного процесса экспозициях (несколько минут) несущественен. Одновременно с нагревом происходит сушка материала. С позиций разрабатываемой технологии сушка является лишь сопутствующим термообработке процессом — конечное влагосодержание материала не является самоцелью процесса. Однако коэффициенты затухания и отражения ЭМ-волны зависят от влагосодержания. Таким образом, мощность, поглощаемая материалом, также зависит от влажности, что в конечном итоге оказывает влияние на распределение температуры по его глубине в процессе термообработки.
На основании проведенного экспериментального исследования можно заключить, что сколь-нибудь заметное испарение влаги при температурах, ниже 100С, имеет место только для верхнего слоя двухслойного материала -гипсовой штукатурки. Механизм сушки в этих условиях (Т 100С) носит характер диффузионного переноса (перенос вещества в виде жидкости [32, 11]). При достижении материалом или его отдельным слоем температуры фазового перехода скорость сушки значительно возрастает и определяется мощностью внутренних источников тепла [27, 29, 73]. Механизм переноса массы на данной стадии сушки происходит путем фильтрационного движения пара (влагосодержание материала изменяется только за счет испарения влаги внутри материала [74, 27,29]).
Допущения, использованные при построении математической модели процесса СВЧ-термообработки влажных материалов, формулируются следующим образом: - нагрев материала происходит за счет энергии плоской ЭМ-волны;
- напряженность электрического поля в эффективной площади раскрыва рупора постоянна;
- физические свойства материала (плотность, теплоемкость, теплопроводность) остаются постоянными в рабочем интервале температур;
- облучаемый с помощью рупорной антенны материал представляет собой полупространство ( 0);
- теплообмен поверхности материала с окружающей средой, пренебрежимо мал;
- перенос тепла теплопроводностью к участкам необлучаемого объема за время облучения отсутствует;
- перенос влаги в материале (в слое материала) до достижения температуры фазового перехода (100С) происходит только в виде жидкости (критерий фазового превращения близок к нулю [32, 11]: Еф — 0); при этом вклад термодиффузии влаги в изменение влагосодержания незначителен [12];
- при достижении материалом (слоем материала) температуры фазового перехода (100С) перенос влаги происходит только в виде пара (критерий фазового превращения: Єф — 1 [32, 74]), причем вся выделяющаяся СВЧ-энергия расходуется только на испарение [27, 29, 73];
- после испарения влаги происходит дальнейший разогрев материала.
Математическая модель процесса СВЧ-термообработки влажных материалов строится в соответствии с изложенными физическими представлениями и принятыми допущениями. Сначала рассмотрим однослойную модель (однородный однослойный материал).
Процесс СВЧ-нагрева разделим на несколько стадий. В первой стадии температура в толще не достигает 100С, а перенос влаги осуществляется диффузионным механизмом. Уравнения модели в первой стадии процесса имеют вид:
Процедура расчета момента догрева влажного материала до заданной температуры на заданной глубине
Основным расчетным параметром процесса СВЧ-термообработки, необходимым для функционирования АСУ, является параметр тнагр? определяемый как время СВЧ-догрева материала (или слоев составной структуры двух материалов) до заданной температуры на заданной глубине (толщине). Рассмотрим процедуру вычисления параметра тнагр на основе предложенной математической модели процесса.
В общем случае уравнения (3.1), (3.15) для первого и второго слоев с условиями (3.4), (3.22), (3.23) для составной структуры материалов решаются только численно. Однако, практически нас интересует время догрева до заданной температуры на заданной толщине только второго слоя (кирпичная кладка, древесина). Тогда, как показывают численные оценки, второй слой можно воспользоваться упрощенным вариантом расчета. Температурное поле Т2(х, т) во втором слое можно рассчитать по соотношению (3.9), если заменить мощность /?о на выражение pQl exp[-2a1(fF1)a1] и, соответственно, (х) на (х — а{).
В результате подстановки, присваивая одновременно параметрам индексы «1» для первого слоя и «2» для второго слоя, получим искомое расчетное выражение:)
Для нахождения тнагр уравнение (3.36) при заданных х и Т2 решается численно. Предложенная методика расчета параметра тнагр учитывает то обстоятельство, что мощность, подводимая ко второму слою, зависит от мощности, поглощаемой первым слоем, которая, в свою очередь, зависит от влагосодержания первого слоя. Таким образом, учитывается предыстория процесса СВЧ-термообработки. Пример расчета параметра тнаГр приведен в Приложении.
Задача разработки АСУ мобильной СВЧ-установкой для термической обработки решена применительно к материалу с неограниченным объёмом (стена). Предложен оригинальный расчетно-экспериментальный метод экспресс-оценки влагосодержания. Метод предусматривает кратковременное СВЧ-облучение двухслойного материала, последующий контроль температуры на заданных глубинах (два измерения) и обратный расчет влагосодержаний по математической модели процесса СВЧ-нагрева. Предложенная автоматизированная система управления определяет и задает регулятору времена СВЧ-облучения, необходимые для уничтожения домового гриба в древесине и кирпичной кладке и жучка-точильщика в древесине. Времена выдержки слоев материала при фиксированных температурах исключены из задания регулятору, так как экспериментально подобраны новые значения температур двухслойных материалов в стадиях термообработки.
Экспресс-оценка влагосодержания методом СВЧ-облучения
Для успешной реализации процесса термообработки необходимо иметь информацию о влагосодержаний материала. Задача измерения влагосодержания материалов с неограниченным объёмом (стена, пол, потолок) является чрезвычайно сложной. Если для однородного материала такого вида могут быть использованы методы непосредственного контроля, в том числе способ СВЧ-просвечивания [43-45], то способов непосредственного измерения влагосодержания неоднородных, в частности двухслойных, материалов не существует. Между тем проведенный анализ закономерностей нагрева материалов в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны позволяет предложить достаточно простой и надежный косвенный метод экспресс-оценки влагосодержания двухслойных материалов. Рассмотрим физическую сущность метода.
Алгоритм управления мобильной СВЧ-установкой
В Главе 1 отмечалось,, что для уничтожения "домового" гриба в древесине и кирпичной кладке требуется осуществлять выдержку этих материалов при температуре 40С в течение 10 мин. Время выдержки древесины при температуре 65С, гарантирующее уничтожение жучка-точильщика, должно быть порядка 3-4 мин. Очевидно, что организовывать столь продолжительные времена выдержки путем применения режима включения — выключения СВЧ-нагрева экономически невыгодно. Более экономичным представляется производить разогрев участка материала (или двухслойной структуры разнородных материалов) до более высоких температур, чем рекомендованные в [1, 6, 7] значения, а выдержку осуществлять путем его естественного охлаждения. Тогда, если корректным образом подобрать новые значения температуры, после облучения первого участка можно сразу же переходить к облучению следующего участка; переместив рупорную антенну с СВЧ-генератором на заданное расстояние. Для определения новых значений температуры, т.е. температур, до которых следует производить нагревание участка материала с целью уничтожения "домового" гриба и жучка-точильщика с тем, чтобы естественное охлаждение было не менее заданного интервала (рекомендованного в [1, 6, 7] времени выдержки), проведено экспериментальное исследование. Образцы двухслойных структур (штукатурка — дерево и штукатурка кирпичная кладка) разогревались методом СВЧ-облучения. Затем исследовалась кинетика их естественного охлаждения на различных глубинах. Образцы имели размеры: 230 х 190 х 35 мм (штукатурка), 330 х 200 х 220 мм (древесина), 250 х 180 х 120 мм (кирпичная кладка). Из анализа кривых, приведенных на рис. 4.4, 4.5, следует, что вместо нагрева до температуры 40С, следует произвести разогрев второго слоя двухслойной структуры (т.е. кирпича или древесины) до температуры 46-47С, иначе говоря, с превышением на 6 7С. Тогда охлаждение глубинных слоев до 40С будет занимать не менее 10 мин, что и будет являться временем выдержки, но путем естественного охлаждения. В режимах СВЧ-термообработки, ставящих целью уничтожение жучка-точильщика, необходимое превышение совсем мало — 2-3С, поскольку время выдержки должно было составлять 3-4 мин. Перейдем теперь непосредственно к разработке алгоритма управления мобильной СВЧ-установкой. Сделаем сначала ряд предварительных замечаний. Алгоритм экспресс-оценки влагосодержания методом контрольного СВЧ-облучения рассмотрен раздельно (см: параграф 4.1). Поэтому в алгоритме управления СВЧ-установкой величины Wi и W2 считаются известными. Задачами управления СВЧ-установкой являются: автоматическое определение момента догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры до заданной температуры на заданной глубине (определение тнагр), корректировка времени нагрева до заданной температуры путем сравнения значения Тзд с истинной (измеренной) температурой Ти, реализация шагов перемещения СВЧ-установки с рупорной антенной на заданные расстояния в горизонтальном и вертикальном, направлениях в моменты окончания цикла облучения фиксированного участка. Алгоритм управления СВЧ-установкой разработан в соответствии с обозначенными задачами и с учетом проведенного в Главе 3 теоретического анализа, в частности, с использованием методики расчета параметра тнагр. Блок-схема алгоритма управления показана на рис. 4.6. Алгоритм управления начинается с момента ввода исходных данных в вычислительные блоки. В качестве исходных данных используются параметры, необходимые для вычисления момента окончания СВЧ-нагрева, т.е. параметра Тнагр- Вычисленный параметр тнаГр автоматически вводится в качестве задания в оперативную память реле времени РВ2. По сигналу окончания ввода тнаГр в РВ2 им вырабатывается ответный логический сигнал высокого уровня «Хнагр» (логическая «1»), который поступает в блок формирования управляющих воздействий (БФУВ). Блок БФУВ вырабатывает два синхронных управляющих сигнала: первый — на включение режима «НАГРЕВ однократный», второй - на пуск реле времени РВ2. Отработав; уставку, равную хнагр , реле РВ2 отключает режим «НАГРЕВ однократный». При этом информация об отключении вводится в блок БФУВ. Затем в соответствии с алгоритмом по сигналу от блока БФУВ с помощью позиционера производится перемещение СВЧ-генератора с рупорной антенной на заданный шаг ш. Облучаемый участок стены оказывается доступным оператору, который осуществляет замер температуры Ти. Сигнал о выполнении первого шага перемещения автоматически вводится в счетчик шагов позиционера и на вход логического элемента «И» блока БФУВ. Режим «НАГРЕВ однократный» дает возможность оператору после первого цикла СВЧ-облучения выполнить измерение температуры Ти и ввести ее значение в соответствующий блок АСУ (в блок коррекции Хнагр). С момента ввода оператором величины Ти в блок коррекции система управления функционирует в автоматическм режиме, не требующем вмешательства оператора, вплоть до достижения конечного результата — термообработки всей заданной поверхности стены. Так, после ввода значения Ти производится автоматическая корректировка времени хнагр, после чего второй и все последующие участки стены будут термообработаны уже с учетом поправки: х =Хнагр±АТнагр- Такой режим работы СВЧ-установки назван «НАГРЕВ рабочий». После каждого цикла СВЧ-облучения в режиме «НАГРЕВ рабочий» автоматически следует перемещение СВЧ-генератора с рупорной антенной на один шаг с последующим очередным включением нагрева. Количество выполненных позиционером шагов подсчитывается счетчиком, в котором задано суммарное число шагов N . Число N представляет собой произведение заданного числа перемещений СВЧ-установки по горизонтали п у и заданного числа перемещений по вертикали n z . Когда фактическое суммарное число выполненных позиционером шагов N станет равным N , вырабатывается сигнал на отключение СВЧ-установки. В этот момент вся заданная поверхность стены будет термообработана.
Структурная схема автоматизированной системы управления представлена на рис. 4.7.
После ввода исходных данных оператор осуществляет контрольное облучение участка стены. По уставке т0сл реле РВ1 НАГРЕВ (см.рис.4.1) отключается; оператор производит замер температур Тю и Ткг и вводит полученные значения в вычислительный блок 1. Затем оператор считывает результаты расчета и вводит значения влагосодержаний Wi и W2 в вычислительный блок 2. Результат работы вычислительного блока 2 (параметр тнагр) автоматически вводится в память реле РВ2.
