Oblast techniky

Vynález se týká neinvazivního monitorování toku dielektrické matrice v uzavřené formě v průběhu výrobního RTM procesu - (Resin Transfer Molding - prosycování výztuže nízkoviskózní pryskyřicí v uzavřené dvoudílné formě).

Dosavadní stav techniky

V případě výroby tvarově složitějších kompozitových výrobků metodou RTM často dochází k problému neprosycení dielektrickou matricí některých míst či vzniku jiných defektů v důsledku špatného nastavení vstupů či výstupů dielektrické matrice.

Je snahou vyřešit tyto problémy pomocí MKP (metoda konečných prvků) simulací toku dielektrické matrice ve formě. Bohužel není možné vždy správně odhadnout prostupnost dielektrické matrice skrze tkaninu formy, či dodržet její homogenitu. Z tohoto důvodu je třeba monitorovat tok dielektrické matrice, aby mohl operátor RTM procesu včas zasáhnout a změnit konfiguraci vstupů či výstupů dielektrické matrice nebo parametry procesu RTM tak, aby nedošlo k neprosycení některých míst.

Pro monitorování toku dielektrické matrice v této oblasti výroby se v současné době používají snímače založené na různých principech. Základní dělení je na invazivní a neinvazivní. Mezi invazivní metody patří např. odporová metoda známá z patentového spisu US5210499 (A), zveřejněného dne 11. 05. 1993 nebo tlaková metoda známá z patentového spisu US4833910 (A), zveřejněného dne 30. 05. 1989.

Metody invazivní jsou v mnoha případech nežádoucí díky často nezanedbatelnému ovlivnění výsledného výrobku. Jde především o strukturální ovlivnění v případě metody odporové, či ovlivnění výsledného povrchu v případě metody tlakové.

Známé je také řešení podle CZ 302 213 pro sledování procesu vytvrzování pryskyřic s využitím kapacitních snímačů, avšak zde jsou snímače vždy v kontaktu s výrobkem, s vytvrzovanou pryskyřicí, čímž je v místě instalace kapacitních snímačů zhoršována mechanická životnost formy RTM procesu.

Podstata vynálezu

Problémy se strukturou či povrchem výsledného výrobku při RTM procesu do značné míry odstraňuje zařízení neinvazivního monitorování toku polymerní matrice, jehož podstata spočívá v tom, že využívá kapacitní snímače s rozptýleným elektrickým polem, které jsou uspořádané ve stěně formy RTM procesu, přičemž zařízení jako celek pro neinvazivní monitorování toku dielektrické matrice v průběhu RTM procesu sestává z formy RTM procesu, nejméně jednoho již zmíněného kapacitního snímače s rozptýleným elektrickým polem, uspořádaným ve stěně formy RTM procesu, přičemž každý kapacitní snímač s napájecími elektrodami a snímacími elektrodami je dále na zadní části opatřen stínící elektrodou, která je připojena ke stínění kabelu měřeného signálu.

Dále zařízení neinvazivního monitorování toku dielektrické matrice sestává z modulu obvodů, který bezdrátově komunikuje pomocí prvních komunikačních obvodů s druhými komunikačními obvody počítače operátora, přičemž modul obvodů dále obsahuje zdroj napájecího napětí, z něhož je přivedeno společné napájecí napětí na vodivě propojené napájecí elektrody kapacit

- 1 CZ 306925 B6 nich snímačů, dále modul obvodů obsahuje převodník kapacita-napětí propojený pomocí multiplexoru/relé se snímacími elektrodami kapacitních snímačů a dále je napojený na obvody koherentní demodulace a poměru signálů a analogově-číslicový převodník pro digitalizaci, přičemž tento analogově-číslicový převodník je propojen s řídicím procesorem pomocí sériové linky, přičemž řídicí procesor je propojen s multiplexorem/relé. První komunikační obvody modulu obvodů pro bezdrátovou komunikaci jsou propojeny s řídicím procesorem. Počítač operátora je propojen s druhými komunikačními obvody pro bezdrátovou komunikaci.

Počítač operátora zajišťuje záznam měřených signálů ve formě binárních souborů pro případné pozdější vyhodnocení a zároveň umožňuje jejich zobrazení nejen do grafu či tabulky, ale i do trojrozměrného modelu formy RTM procesu.

Pro vykreslení geometrie formy RTM procesuje použit grafický formát STL (souborový formát určený pro uložení těles reprezentovaných trojúhelníky). Operátor RTM procesu pak musí předem zadat pozice jednotlivých kapacitních snímačů, které jsou na trojrozměrný model formy RTM procesu zobrazeny pomocí barevného bodu, jehož barva odpovídá stavům s a bez dielektrické matrice, což výrazně zvyšuje přehlednost měřených signálů. Vztah mezi jednotlivými stavy přítomnosti dielektrické matrice a měřenými signály je třeba předem kalibrovat pro konkrétní skladbu tkaniny a dielektrické matrice, ze kterých se výrobek skládá.

Kapacitní snímače jsou nejvýhodněji instalovány ve stěně formy těsně pod pracovním povrchem formy RTM procesu natrvalo, a to buď již při její výrobě, nebojsou dodatečně zabudovány do již hotové formy RTM procesu.

Rozmístění kapacitních snímačů a jejich počet je určen předem např. podle prvotních simulací metodou konečných prvků procesu RTM.

Kapacitní snímače fungují na principu změny elektrické permitivity dielektrika v jejich blízkosti. Změna permitivity dielektrika následně vyvolává změnu kapacity kapacitního snímače, která je převedena na měronosnou veličinu napětí pomocí převodníku kapacita-napětí.

Zpracované měřené signály jsou dále přenášeny bezdrátově z formy RTM procesu do počítače operátora RTM procesu. Bezdrátový přenos měřených signálů a bateriový zdroj zajišťuje mobilitu formy RTM procesu, což dovoluje operátorovi RTM procesu zacházet s ní efektivněji a flexibilněji.

Z již známého principu kapacitního snímače instalovaného ve stěně formy RTM procesu vyplývá, že citlivost kapacitního snímače na změnu dielektrika v jeho blízkosti bude malá. Z toho důvodu je potřeba vhodně zpracovat měřený signál z kapacitního snímače tak, aby výsledná citlivost, odstup užitečného signálu od šumu, byla dostatečná vzhledem k potřebám monitoringu. Citlivost snímače na změnu dielektrika klesá exponenciálně se vzdáleností změny od snímače. Vzdálenost kapacitního snímače od pracovního povrchu formy by měla být taková, aby jeho přítomnost nezhoršovala mechanickou životnost formy RTM procesu v místě jeho instalace a zároveň, aby měřený signál kapacitního snímače měl dostatečně velký odstup užitečného signálu od šumu.

Dostatečného odstupu užitečného signálu od šumu je dosaženo dalším zpracováním měřených signálů pomocí již známé koherentní demodulace, která svou podstatou plní funkci filtru typu pásmová propust s velmi úzkou šířkou propustného pásma. Obvody koherentní demodulace a poměru signálů (dále jen obvody koherentní demodulace) je zpracováno jak společné napájecí napětí, tak měřený signál. Pomocí obvodů koherentní demodulace je ze společného napájecího napětí a měřených signálů získána velikost amplitud. Následně je velikost amplitudy měřeného signálu dělena velikostí amplitudy společného napájecího napětí, čímž je získán měřený poměrový signál (dálejen měřený signál). Použitím poměřuje dosaženo necitlivosti měřeného signálu na rušení pocházejícího z napájecího napětí.

-2CZ 306925 B6

Měřený signál je přiveden na analogově-číslicový převodník, kde je dále digitalizován. Chod analogově-číslicového převodníku je stejně jako choď multiplexoru či relé řízen řídicím procesorem, který také zajišťuje komunikaci skrze obvody pro bezdrátovou komunikaci s počítačem operátora RTM procesu. Aby bylo zařízení pro neinvazivní monitorování toku dielektrické matrice dostatečně mobilní, je jeho napájení zajištěno bateriovým zdrojem stejnosměrného napětí.

Multiplexor či relé nemusejí být zařazeny bezprostředně mezi kapacitní snímače a převodník kapacita-napětí. Pokud bude každý kapacitní snímač opatřen svým vlastním převodníkem kapacita-napětí je možné multiplexor či relé zařadit až mezi převodníky kapacita-napětí a obvody koherentní demodulace. Pokud by byl každý kapacitní snímač opatřen nejen svým vlastním převodníkem kapacita-napětí, ale i svými vlastními obvody pro koherentní demodulaci a poměr signálů, je možné zařadit multiplexor či relé až mezi obvody koherentní detekce (a poměr signálů) a analogově číslicový převodník.

Počítač operátora RTM procesuje vybaven příslušným softwarem pro záznam měřených signálů a jejich vhodné zobrazení. Software mimo jiné umožňuje zobrazení měřených signálů do trojrozměrného modelu formy, grafu či tabulky tak, aby přehlednost stavu všech měřených signálů byla pro operátora RTM procesu maximální.

Tím, že kapacitní snímače jsou umístěny ve stěně formy těsně pod jejím pracovním povrchem, jejich přítomnost nezhoršuje mechanickou životnost formy RTM procesu v místě jejich instalace a zároveň, měřené signály kapacitních snímačů mají dostatečně velký odstup amplitud měřených signálů od šumu.

Díky možnosti sledování toku dielektrické matrice formou lze minimalizovat či úplně odstranit neprosycená místa či jiné typické defekty, která jsou častým problémem v případě tvarově složitějších forem. Díky bezdrátovému přenosu signálů z formy je možné s formou efektivně pracovat, aniž by tento systém jakkoliv bránil výrobnímu procesu. Největší předností tohoto zařízení je, že svým chodem nijak neovlivňuje strukturu či povrch výrobku.

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže specifikováno pomocí výkresů, kde na obr. 1 je blokově znázorněna koncepce celého zařízení, včetně bezdrátové komunikace s počítačem operátora, na kterém je znázorněn grafický výstup na počítači RTM operátora, na obr. 2 je znázorněn řez formou RTM procesu v místě instalace kapacitního snímače, na obr. 3 je znázorněn řez z obr. 2 v rovině elektrod kapacitního snímače a na obr. 4 je znázorněno blokové schéma modulu 1.

Příklad uskutečnění vynálezu

Zařízení pro neinvazivní monitorování toku polymemí matrice znázorněné na přiložených výkresech sestává z kapacitního snímače 2, jehož velikost může být od 1 cm² a více dle celkové velikosti formy 13 RTM procesu. Kapacitní snímač 2 je na zadní části opatřen stínící elektrodou, která je připojena ke stínění kabelu měřeného signálu 6. Kapacitní snímač 2 je umístěn 2 mm od pracovního povrchu 3 formy 13 RTM procesu, tvořeného modifikovanými pryskyřicemi. V průběhu výroby formy 13 RTM procesu je nutné provádět její laminování s ohledem na napájecí elektrody 4 a snímací elektrody 7 resp. jejich připojovací vodiče na zadní straně kapacitního snímače 2. Napájecí elektrody 4 kapacitních snímačů 2 jsou vodivě propojeny aje na ně přivedeno ze zdroje 16 napájecího napětí společné napájecí napětí 5 harmonického průběhu o amplitudě ±15 V a frekvenci 15 kHz. Snímací elektrody 2 jsou postupně připojovány k převodníku 8 kapacita-napětí pomocí multiplexoru/relé 9. Převodník 8 kapacita-napětí je realizován operačním zesilovačem v zapojení převodník proud napětí, v jehož zpětné vazbě je kondenzátor s kapacitou c_FB,

- 3 CZ 306925 B6 určující rozsah pro měřený signál 6. Kondenzátor dále zajišťuje necitlivost převodníku na různé velikosti frekvence společného napájecího napětí 5. S tímto zpětnovazebním kondenzátorem je paralelně spojen rezistor o hodnotě Rfb, který zajišťuje vodivou cestu pro stejnosměrný vstupní proud zesilovače. Pro jeho hodnotu musí platit R_FB=l/(2-n-f-c_FB), kde f je frekvence společného napájecího napětí 5.

Obvody 10 koherentní demodulace jsou realizovány komerčně prodávanými integrovanými obvody, které koherentní demodulaci zajišťují pomocí synchronního detektoru na spínačovém principu. Obvody pro poměr signálů jsou realizovány na principu násobičky s pulzní šířkovou modulací.

Digitalizace je provedena analogově-číslicovým převodníkem 11 typu sigma-delta s rozlišením 24 bitů. Výstup je realizovaný pomocí sériové linky, skrze kterou je analogově-číslicový převodník 11 připojen k řídicímu mikro-procesoru 18.

První komunikační obvody 12 pro bezdrátovou komunikaci jsou s řídicím procesorem 18 spojeny také sériovou linkou, skrze kterou jsou digitalizované měřené signály 6 předávány prvním komunikačním obvodům 12 pro bezdrátovou komunikaci, odkud jsou dále bezdrátově posílány do počítače operátora 14 skrze bezlicenční pásmo o frekvenci 2,4 GHz, pomocí druhých komunikačních obvodů 12.

Modul obvodů 1 pro neinvazivní monitorování toku polymemí matrice je napájeno bateriovým zdrojem 17 o napětí 12 V a kapacitou 3,4 Ah.

Počítač 14 operátora zajišťuje záznam měřených signálů 6 ve formě binárních souborů pro případné pozdější vyhodnocení a zároveň umožňuje jejich zobrazení nejen do grafu či tabulky, ale i do trojrozměrného modelu 15 formy 13 RTM procesu. Pro vykreslení geometrie formy 13 RTM procesu je použit grafický formát STL. Operátor RTM procesu pak musí předem zadat pozice jednotlivých kapacitních snímačů 2, které jsou na trojrozměrný model 15 formy 13 RTM procesu zobrazeny pomocí barevného bodu, jehož barva odpovídá stavům s a bez polymemí matrice, což výrazně zvyšuje přehlednost měřených signálů 6. Vztah mezi jednotlivými stavy přítomnosti polymemí matrice a měřenými signály 6 je třeba předem kalibrovat pro konkrétní skladbu tkaniny a polymemí matrice, ze kterých se výrobek skládá.

Kapacitní snímač 2 je realizován dvěma koplanárními elektrodami hřebenového tvaru. Společné napájecí napětí 5, kjehož generování slouží zdroj 16 napájecího napětí střídavého průběhu, je přivedeno současně na napájecí elektrody 4 všech kapacitních snímačů 2. Frekvence napájecího napětí by měla být v rozmezí 10 až 15 kHz. Pro vyhodnocení kapacity snímače 2 je potřeba převodníku 8 kapacita-napětí realizovaného operačním zesilovačem v již známém zapojení „převodník proud-napětí“ s kapacitní zpětnou vazbou. Ten je dále připojen na měřicí elektrody 7 jednotlivých kapacitních snímačů 2 pomocí multiplexoru 9 (rychlého elektronického přepínače) nebo pomocí elektromagnetického relé (dále jen relé). Všechna stínění vodičů vedoucí ke kapacitním snímačům 2 a případně všechny kovové části v blízkosti kapacitních snímačů 2 musí být připojeny na virtuální zem operačního zesilovače převodníku 8 kapacita-napětí.

Napájecí elektrody 4 kapacitních snímačů 2 jsou připojeny najedno společné napájecí napětí 5 generované zdrojem 16 a měřené signály 6 ze snímacích elektrod 7 jsou dále zpracovány převodníkem 8 kapacita-napětí, pro což jsou vybírány pomocí multiplexoru/relé 9 anebo nejsou vybírány pomocí multiplexoru/relé 9, přičemž jsou zpracovány samostatně vždy svým vlastním převodníkem ^kapacita-napětí.

Způsob předzpracování měřených signálů 6, který dále spočívá v tom, že společné napájecí napětí 5 a měřené signály 6 jsou zpracovány obvody 10 pro koherentní demodulaci, následně dány do poměru měřený signál 6 ku společnému napájecímu napětí 5 pomocí obvodů 19 pro určení poměru signálů a měřené signály 6 jsou vybírány pomocí multiplexoru/relé 9_anebo nejsou vybírány

-4CZ 306925 B6 pomocí multiplexoru/relé 9, přičemž jsou zpracovány samostatně vždy svými vlastními obvody pro koherentní demodulaci.

Poměr měřený signál 6 ku společnému napájecímu napětí 5 je dále digitalizován analogověčíslicovým převodníkem 11, pro což je vybírán pomocí multiplexoru/relé 9, anebo není vybírán pomocí multiplexoru/relé 9, přičemž je digitalizován samostatně vždy svým vlastním analogověčíslicovým převodníkem 11, který je společně s multiplexorem/relé 9 a obvody 12 pro bezdrátovou komunikaci ovládán řídicím procesorem 18.

Digitalizované měřené signály 6 jsou dále bezdrátově přeneseny prvními komunikačními obvody 12.1 z formy 13 RTM procesu do počítače 14 operátora přes druhé komunikační obvody 12.2.

Pro napájení zařízení pro neinvazivní monitorování toku dielektrické matrice slouží bateriový zdroj 17.

Příslušný software zajistí záznam a zobrazení poměrů měřených signálů 6 ku společnému napájecímu napětí 5 nejen do grafu či tabulky, ale i do trojrozměrného modelu 15 formy 13 RTM procesu.

Průmyslová využitelnost

Zařízení lze použít v RTM výrobě kompozitových materiálů s dielektrickou matricí.