RU1789908C - Способ определени в зкости стекломассы в зоне формовани волокна и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Description

создавать поперечные колебани  материала достаточно большой дл  визуального наблюдени  амплитуды (а требуютс  именно такие). Контроль неточен при нат жении струи, при изменении е диаметра и в зкости материа;л;а;,вдольструй.; Способ не позвол ет проводить контроль непрерывно.

Известен тШж е сп особ определени  продольной в зкости стекломассы в зоне формовани  волокна, который по технической сущности и достигаемому результату наиболее близок к изобретению. Данный способ заключаетс  в подаче стекломассы дозирующим насосом в виде струи из горизонтального капилл ра в выт жные валки, в изменении (постепенном увеличении) и измерении их скорости вращени , по которой суд т о скорости деформации струи стекломассы , в измерении нат жени , и диаметра струи стекломассы, по последнему из которых суд т о площади сечени  стекломассы, и в вычислении искомой в зкости Я по формулам

(1) - F

о.

1 еаSc

jrdc2

(3)

Sc

Ј fl(VB),

(2) (4)

где а- напр жение раст жени ;

Ј - скорость деформации раст жени  (или, что то же, продольный градиент скорости );

Sc, dc и F - соответственно площадь сечени , диаметр и измер емое датчиком нат жение струи стекломассы;

VB - скорость вращени  выт жных валкое .

Способ осуществл ют устройством, содержащим датчики скорости вращени  выт жных валков м нат жени  струи стекломассы, выходами соединенные с входами регистратора, датчик диаметра струи и блок управлени  скоростью вращени  выт жных валков. Данный блок включает в себ  привод валков и обеспечивает постепенное увеличение скорости их вращени . Объекты прототипа не позвол ют вести контроль непрерывно. В них не учитываетс  вли ние на Ј скорости подачи стекломассы в зону формовани  (скорости штабика уш). В установках по получению оптического волокна прот женность зоны формовани  незначительна по сравнению с рассто нием L от нее до выт жных валков, поэтому в переходных режимах, особенно при высокой в зкости стекломассы и малых диаметре de и модуле упругости Е волокна, скорость VB за счет упругого деформировани  сформованного (затвердевшего) волокна не отражает истинной скорости

деформации Ј . Как будет показано далее, Ј по формуле (4) нужно находить с учетом Е, L, dB, Vui и F, т. е.

Ј f2(VB, E,L, de, Уш, F).(5) В прототипе не учитываетс  изменение диаметра струи как по ее длине, так и во времени. При штабиковом способе волокно и штабик располагаютс  вертикально, поэтому предложенное в прототипе горизонтальное расположение струи дл  компенсации ее веса не может быть использовано. Применение анализируемых объектов дл  контрол  Я в процессах получени  волокон из штабиков приводит к не- 5 точности также из-за приближенности (2). Более точно

Р (в)

0

(7

Sc

20

25

35

40

45

50

55

где FA - сила внутреннего трени .

При посто нной скорости выт жки

FA F-Fn.H. + P,(7) где РП.Н. - сила поверхностного нат жени ;

Р - вес участка волокна выше датчика нат жени .

Стекломасса в зоне формовани  характеризуетс  чрезвычайно большими деформаци ми , скоростью деформации и интенсивностью механического воздейст- OQ ви  (вплоть до разрыва). Поэтому стекломасса может (в зависимости от ее химического состава) про вл ть аномалию в зкости. При контроле такой аномально-в зкой стекломассы , у которой Я тз (Ј), прототип имеет невысокую чувствительность изменений Я при изменении к, так как соотношение (1) есть тангенс угла наклона секущей, проведенной из начала координат через данную точку зависимости а(Ј), а не тангенс угла наклона касательной в этой точке зависимости а(Ј).

В способе определени  в зкости стекломассы в зоне формовани  волокна путем измерени  диаметра струи на выходе зоны формовани  дл  вычислени  площади ее поперечного сечени , измерени  нат жени  волокна и скорости вращени  выт жных валков и определени  скорости деформации раст жени  стекломассы измер ют скорость подачи штабика, возбуждают колебани  скорости вращени  выт жных валков, рассчитывают скорость выхода волокна из зоны формовани  по значени м площади поперечного сечени  струи, нат жени  волокна, скорости вращени  выт жных валков и по заданным модулю упругости и длине волокна между зоной формовани  и выт жными валками, наход т скорость деформации раст жени  стекломассы по рассчитанной скорости выхода волокна и скорости подачи штабика, определ ют амплитуды колебаний нат жени  волокна и произведени  площади поперечного сечени  струи и скорости деформации раст жени  стекломассы, а в зкость рассчитывают по отношению амплитуды колебаний нат жени  волокна к амплитуде колебаний произведени  площади поперечного сечени  струи и скорости деформации раст жени  стекломассы..

Устройство дл  определени  в зкости стекломассы в зоне формовани  волокна, содержащее датчики скорости вращени  выт жных валков, диаметра и нат жени  волокна , блок управлени  скоростью вращени  выт жных валков и регистратор, снабжено датчиком скорости подачи штабика , возбудителем зондирующих колебаний, моделью скорости выхода волокна из зоны формовани , элементом сравнени , квадратором , умножителем и двум  блоками деле- ни , полосовыми и сглаживающими фильтрами и выпр мител ми, причем возбудитель зондирующих колебаний подключен к входу блока управлени  скоростью вращени  выт жных валков, датчик скорости вращени  выт жных валков подключен к первому входу модели скорости выхода волокна из зоны формовани , датчик нат жени  подключен к второму входу модели скорости выхода волокна из зоны формовани  и через последовательно соединенные первые полосовой фильтр, выпр митель и сглаживающий фильтр - к первому входу первого блока делени , датчик диаметра волокна через квадратор подключен к первому входу умножител  и третьему входу модели скорости выхода волокна из зоны формовани , выход которой подключен к первому входу элемента сравнени , датчик скорости подачи штабика подключен к первому входу второго блока делени  и второму входу элемента сравнени , .выход которого подключен к второму входу второго блока делени , выход которого подключен к второму входу умножител , выход которого через последовательно соединенные вторые полосовой фильтр, выпр митель и сглаживающий фильтр подключен к второму входу первого блока делени , выход которого соединен с регистратором.

Дл  осуществлени  непрерывности определени  и повышени  чувствительности искомую в зкость предлагаетс  находить путем непрерывного определени  отношени 

(FA)m

Я

(ScЈ)n

(8)

где (FA)m и (Sc Ј)m - амплитуды зондирующих колебаний соответственно силы внутреннего трени  FA и произведени  площади сечени  Sc и скорости деформации Ё стекломассы . Зона формовани  оптического волокна труднодоступна дл  пр мых измерений и. наблюдений, поэтому выражают соотношение (8) через несложно определ емые параметры.

0 Как известно, наиболее значительные приращени  скорости (в 102 - 103 раз) и ускорени  (в 104- 105 раз) стекломассы происход т на конечном участке луковицы (в зкость которого и определ етс  в данном

5 случае и за очень малый промежуток времени ( - с). Поэтому деформаци  стекломассы на рассматриваемом участке развиваетс  скачкообразно. Величину этого скачка деформации можно оценить, как

0 V4 - Vui (g)

г УФ - Vu

Уш

Скорость деформации стекломассы на рассматриваемом участке предлагаетс  считать пропорциональной этому скачку, 25 т.е.

. Ј KivVVuj-(ю)

УЩ

Поскольку площади сечени  конечного участка луковицы и сформированного во- 30 локна различаютс  незначительно, то предлагаетс  также считать

Sc k2dB2.(11) В формулах (9-11)

Уф и dB - скорость и диаметр волокна на 35 выходе зоны формовани ;

ki и k2 - коэффициенты пропорциональности .

Дл  определени  Уф предлагаетс  использовать модель, учитывающую VB, E, L, 40. dB и F. Процесс раст жени  продольно движущегос  абсолютно упругого материала описываетс  в наиболее общем виде уравнением Винтера Ю.М., а в частных случа х - уравнени ми Васильева Н.А., Файнберга 45 Ю.М. и др. Стекл нное волокно  вл етс  линейно упругим вплоть до разрыва, поэтому оно наилучшим образом удовлетвор ет этим уравнени м. Искома  модель дл  определени  Уф может быть построена исход  50 из уравнени  Васильева НА, которое применительно к формованию волокна записываетс  как

ТТ7--УФ- L „РЈв. (12) 551 +Јв 0+ев)2

или в преобразованном виде

Lp ЈВ - VB - Уф (1 + ЈВ )Х1 + Јв).(13) где ев - относительное удлинение волокна между зоной формовани  и выт жными валками;

Уф

р - оператор дифференцировани .

Уравнение (13) можно записать проще, полага  последний сомножитель 1 + Јв 1.. Тогда получают упрощенное уравнение Файнберга Ю.М.

1р Јв Ув-Уф-УфЈв. (14)

Умножа  уравнени  (14) на ESB, где

jrdecn2 SB - площадь сечени  волокна,

dBcp средний диаметр волокна между зоной формовани  и выт жными валками, и использу  очевидное

ESB ев F,(15) получают

VBESB-LpF

. ESe + F (16) .

Модель скорости выхода волокна из зоны формовани  в предложенном устройстве строитс  в соответствии с (16). Выражение (16) может быть реализовано многообразно. Один из вариантов реализации модели описан далее в примере.

Зондирующие колебани  скорости VB выт жных валков вызывают колебани  нат жени  F волокна, скорости Уф, силы FA внутреннего трени  стекломассы в зоне формовани  и диаметра dB волокна. Колебани  же силы РП.Н. будут незначительными, так как Рп.н. определ етс  в основном коэффициентом поверхностного нат жени  стекломассы и диаметром штабика. При ин- франизкой частоте зондирующих колебаний можно пренебречь силой, придающей волокну ускорение, и баланс сил по- прежнему будет выражатьс  уравнением (7). Исход  из этого и примен   правила дифференцировани , из выражени  (7) наход т ,

(F$m Fm,(Т7) где Fm - амплитуда зондирующих колебаний нат жени  волокна. Подставл   в формулу (8) выражени  (10), (11), (17), получают окончательно

Fm

А -

kl(Sc

. Уф - Vu

Vu

%

m

kl k2 (dB 2 V)1

Верхн   граница возбуждаемых зондирующих колебаний обусловливаетс  инер ционностью выт жных валков и блока управлени  их скоростью. Эту границу можно охарактеризовать следующим образом. Блок управлени  скоростью выт жных валков обычно выполн етс  электрическим. Наиболее инерционным элементом в этом блоке  вл етс  исполнительный электро

двигатель , электромеханическа  посто нна  времени которого составл ет 10-150мс, что эквивалентно частоте среза 16-1 Гц. Эта частота и определ ет ту максимальную час5 тоту возбудител , котора  еще будет отра- батыватьс  выт жными валками. Эта частота принадлежит инфранизкочастотно- му диапазону и соответствует ограничению, наложенному на частоту зондирующих ко10 лебаний при выводе соотношени  (17).

Предварительное определение длины L требуетс  потому, что этот параметр фигурирует в алгоритме определени  А (см. соотношение (16), и он может мен тьс  при

15 переналадках технологической установки, вызванных, например, изменени ми в операци х нанесени  защитного покрыти .

В соотношении (16) фигурирует также модуль Е. В св зи с распространенностью

20 технологических режимов, характеризующихс  высокой однородностью химического состава и стабильностью физических свойств каждого отдельного штабика по его длине, получением волокна посто нного ди25 .аметра, что обусловливает малую изменчивость Е волокна, получаемого из одного штабика, в данном способе предусматриваетс  не непрерывное, а одноразовое определение Е волокна дл  каждого штабика.

30 При этом Е может определ тьс  (в пор дке повышени  точности):

а) по справочным данным дл  продукта, аналогичного контролируемому;

б) по данным измерени  образцов во- 35 локна, изготовленного ранее и аналогичного контролируемому;

в) по данным измерени  образцов волокна , полученным в начале данного контролируемого процесса формовани .

40 Как следует из вышеизложенного, в предлагаемом способе осуществл етс  непрерывное определение соотношений (16) и (18). Следовательно, способ позвол ет проводить определение в зкости непрерывно.

45 Используемые выражени  (8) и (18)  вл ютс  соотношени ми дифференциального типа , Следовательно, способ повышает чувствительность определени  в зкости. При определении е дополнительно учйтыва50 ютс  Е, I, dB, Уш, F (уравнени  5, 10, 16); исключаетс  вли ние на результаты контрол  силы FH.H. и веса Р (уравнени  6, 7, 17). Следовательно, увеличиваетс  точность определени  продольной в зкости стекломас55 сы.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства дл  реализации способа; на фиг. 2, 3 - фрагменты осциллограмм параметров процесса получени  волокна из кварцевого

штабика при опробовании за вл емых объектов .

Пример. Предварительно определ ют модуль упругости Е и длину L волокна между зоной формовани  и выт жными валками, изменением скорости выт жных валков возбуждают зондирующие инфра- низкочастотные колебани  параметров системы стекломасса-волокно, измер ют скорости VB выт жных валков и Уш штабика, диаметр dB волокна на выходе зоны формовани  и нат жени  F волокна. По dB суд т о площади Sc сечени  стекломассы. По Е, L, VB, de и F суд т о скорости деформации Ј стекломассы, Определ ют амплитуды Fm и (Sc Ј)m зондирующих колебаний соответственно нат жени  F и произведени  Sc Ји по отношению Fm/(Sc e)m оценивают про- .дольную в зкость стекломассы в зоне формовани ..

Устройство дл  определени  в зкости стекломассы содержит последовательно соединенные возбудитель 1 зондирующих колебаний и блок управлени  2 скоростью вращени  выт жных валков 3, датчик А ско- рости вращени  выт жных валков 3, модель 5 скорости выхода волокна из зоны формовани , датчик 6 нат жени  волокна 7, первые полосовой фильтр 8, выпр митель 9 и сглаживающий фильтр 10, первый блок 11 делени , регистратор 12, датчик 13 диаметра волокна на выходе из печи 14, квадратор 15, умножитель 16, вторые полосовой фильтр 17, выпр митель 18 и сглаживающий фильтр 19, элемент 20 сравнени , датчик 21 скорости подачи штабика 22, второй блок 23 делени .

Фильтры соответственно 8 и 17, 10и19 выполнены с одинаковой амплитудно-частотной характеристикой и настроены на ча- стоту зондирующих колебаний. Параметры фильтров определ ютс  спектром помех и требуемым быстродействием преобразовател .

Модель 5, реализующа  соотношение (16), может состо ть из последовательно соединенных дифференцирующего звена 24, элемента 25 сравнени  и блока 26 делени , выход которого  вл етс  выходом модели. Модель содержит также умножитель 27 и сумматор 28, первые входы которых соединены с выходом фильтра 29, вторые входы  вл ютс  соответственно первым и вторым входами модели, а выходы соединены с вторыми входами блоков соответственно 25 и 26, при afoM второй вход блока 28 соединен также с входом звена 24, а вход фильтра 29  вл етс  третьим входом модели. Коэффициенты передачи звена 24 (пропорциональный L) и фильтра 29 (пропорциональный Е) перестраиваютс  в соответствии с изменением конструктивных размеров технологической установки и модул  упругости получаемых волокон. Фильтр 29 предназначен дл  подавлени  колебаний в его выходном сигнале, вызванных зондированием, и получени  тем самым необходимого соответстви  его выходного сигнала не моменоо

тальному de , a dBcp Фильтр может быть выполнен в виде фильтра нижних частот или заграждающего фильтра, настроенного на частоту зондировани .

Устройство работает следующим образом . От возбудител  1 зондирующих колебаний на вход блока управлени  2 поступает периодический сигнал. Блок 2, реагиру  на сигнал с возбудител , вызывает зондирующие колебани  скорости выт жных валков 3, что приводит к зондирующим колебани м нат жени  волокна 7, а также скорости и диаметра волокна на выходе зоны формовани . Содержащие зондирующие колебани  сигналы датчиков 4, 6 (непосредственно) и 13 (через квадратор 15) поступают на входы модели 5. Выходной сигнал модели о скорости /ф волокна на выходе зоны формовани  преобразуетс  с помощью блоков 20, 23 и сигнала датчика 21 по алгоритму (10) в сигнал о скорости деформации Ј стекломассы, который поступает на второй вход блока 16. Одновременно на первый вход блока 16 поступает сигнал с выхода квадратора 15 о площади Sc сечени  стекломассы. Из выходного сигнала блока 16, пр мо пропорционального Sc Ј, фильтром 17 выдел етс  переменна  составл юща , вызванна  зондированием . Синусоидальный сигнал с выхода фильтра 17с помощью выпр мител  18 и сглаживающего фильтра 19 преобразуетс  в сигнал посто нного тока, пр мо пропорциональный (Sc Ј)m. Аналогично этому сигналу сигнал датчика 6 преобразуетс  цепочкой блоков 8, 9 и 10 в сигнал, пр мо пропорциональный величине Fm зондирующих колебаний нат жени  волокна. Выходные сигналы фильтров 10 и 19 поступают на входы блока 11, на выходе которого в соответствии с выражением (18) формируетс  сигнал об искомой в зкости, регистрируемый блоком 12.

При опробовании возбудитель 1 был выполнен в Виде генератора синусоидальных колебаний частотой 3 Гц. Амплитуда зондирующих колебаний скорости VB выт жных валков 1.5-3%. Полосовые фильтры 8 и 17 реализованы каскадным включением двух активных ФНЧ-звеньев и двух активных ФНЧ-звеньев второго пор дка с добротностью 0,5. Максимальный регулируемый коэффициент усилени  фильтров в полосе пропускани  1,8-4,4 Гц составл л 3200. Выпр мители 9 и 18 выполнены двухполупери- одными, а сглаживающие фильтры 10 и 19 - в виде активных ФНЧ-звеньев первого пор дка с посто нной времени 0,56 с и коэффициентом усилени  1,6. Отношение сигнал-шум на выходе фильтра 10, определ емое как отношение величин этого сигнала при зондировании и без зондировани , в зависимости от режима выт жки составл ло 4-7,3. Датчик 4 выполнен в виде датчика угловой скорости выт жных валков. Нат жение измер лось перед выт жными валками по усилию сопротивлени , которое оказывало волокно при искривлении его траектории движени . Это усилие воспринималось механртронным преобразователем , выполненным на механотроне 6 MX 7C и используемым в качестве динамометра. Выход датчика 6 дл  подавлени  высокочастотных помех оснащен ФНЧ-звеном первого пор дка с посто нной времени 0,13 с. Кроме того, нат жение волокна можно было измер ть электронным мостом в точке подвеса штабика с учетом веса штабика или резонансным способом.

Датчик 13 представл л собой лазерное измерительное устройство промышленного исполнени . Датчик 21 выполнен в виде датчика угловой скорости (ЭДС) двигател  посто нного тока независимого возбуждени  привода подачи штабика.

На фиг. 2, 3 прин ты следующие обозначени : 30 - выходной сигнал (электрическое напр жение) блока 10; 31 - сигнал датчика 6; 32 - расход верхнего аргона; 33 - электрический ток нагревател  печи. Уровни остальных параметров процесса получени  волокна дл  приведени  осциллограмм посто нны: dB 146 мкм; VB 0,1 м/с; Уш

5 -10 м/с; расход нижнего аргона 50 л/ч; ток нагревател  (дл  фиг. 2) 89 А; расход верхнего аргона (дл  фиг. 3) 290 л/ч.

Активными изменени ми расхода аргона и тока нагревател  достигалось изменение режима охлаждени  и нагрева стекломассы в зоне формировани  волокна; в результате измен лась продольна  в зкость А стекломассы. При увеличении расхода аргона (см. фиг. 2) А увеличиваетс , свидетельством чему  вл етс  и увеличение нат жени  волокна (крива  31). Из фиг. 2 видно, что сигнал 30 о Fm при этом также увеличиваетс . При увеличении тока нагревател  (см. фиг. 3) А уменьшаетс , о,виде- тельством чему  вл етс  и уменьшение нат жени  волокна (крива  31). Из фиг. 3 видно, что сигнал 30 о Fm при этом уменьшаетс . Таким образом, увеличению или

уменьшению А соответствует также увеличение или уменьшение числител  Fm соотношени  (18). Это, а также показанна  принципиальна  возможность возбуждени  инфранмзкочастотных колебаний нат жени  волокна выт жными валками доказывают осуществимость за вл емых объектов % реальных услови х.

..-...-. о

Использование изобретени  обеспечи- вает достижение непрерывности определени  продольной в зкосш стекломассы , что позвол ет строить системы автоматического управлени  физико-механическими и оптическими свойствами стекломассы и получаемого волокна; увеличение точности; повышение чувствительности определени  изменений продольной в зкости аномально-в зкой стекломассы при изменений ее скорости деформации.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ определени  в зкости стекломассы в зоне формовани  волокна путем измерени  диаметра струи на выходе зоны формовани  дл  вычислени  площади ее поперечного сечени , измерени  нат жений волокна и скорости вращений выт жных валков и определени  скорости деформации раст жени  стекломассы, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности при выработке волокна штабико- аым методом, измер ют скорость подачи штабика, возбуждают колебани  скорости вращени  выт жных валков, рассчитывают скорость выхода волокна из зоны формовани  по значени м площади поперечного сечени  струи, нат жени  волокна, скорости вращени  выт жных валков и по заданным модулю упругости и длине волокна между зоной формовани  и выт жными валками, определение скорости деформации раст жени  стекломассы осуществл ют по рассчитанной скорости выхода волокна и скорости подачи штабика, определ ют амплитуды колебаний нат жени  волокна и произведени  площади поперечного сечени  струи и скорости деформации раст жени  стекломассы, а в зкость рассчитывают по отношению амплитуды колебаний нат жени  волокна к амплитуде колебаний произведени  площади поперечного сечени  струи к скорости деформации раст жени  стекломассы.
2. 2. Устройство дл  определени  в зкости стекломассы в зоне формировани  волокна, содержащее датчики скорости вращени  выт жных валков, диаметра и нат жени  волокна , блок управлени  скоростью вращени  выт жных валков и регистратор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности при выработке волокна штабико- вым методом, оно снабжено датчиком скорости подачи штабика, возбудителем зондирующих колебаний, моделью скорости выхода волокна из зоны формовани , элементом сравнени , квадратором, умножителем и двум  блоками делени , полосовыми и сглаживающими фильтрами и выпр мител ми, причем возбудитель зондирующих колебаний подключен к входу блока управлени  скоростью вращени  выт жных валков, датчик скорости вращени  выт жных валков подключен к первому входу модели скорости выхода волокна из зоны формовани , датчик нат жени  подключен к второму входу модели скорости выхода волокна из зоны формовани  и через последовательно соединенные первые полосовой фильтр, выпр митель и сглаживающий фильтр к первому входу первого блока делени , датчик диаметра волокна через квадратор подключен к первому входу умножител  и третьему входу модели скорости выхода волокна из зоны формовани , выход которой подключен к первому входу элемента сравнени , датчик скорости подачи штабика подключен к первому входу второго блока делени  и второму входу элемента сравнени , выход которого подключен к второму входу второго блока делени /выход которого подключен к второму входу умножител , выход которого через последовательно соединенные вторые полосовой фильтр, выпр митель и сглаживающий фильтр подключен к второму входу первого блока делени , выход которого соединен с регистратором.

   Фиг.З

   ofwe