碳/碳复合材料热梯度化学气相渗透过程温度自动控制器

摘要

本发明公开了一种碳/碳复合材料TCVI过程温度自动控制器，包括温度传感器(5)、调压变压器、整流柜，还包括A/D转换器、模糊控制器、D/A转换器、D/0转换器、驱动放大电路、升档继电器、降档继电器和停止继电器；温度传感器(5)插在化学气相渗透炉炉体(3)内，其输出端通过A/D转换器与模糊控制器电连接，模糊控制器另一端通过D/A转换器与脉冲触发电路电连接，脉冲触发电路的另一端与整流柜电连接；模糊控制器还有一个端口通过D/O转换器与驱动放大电路电连接，驱动放大电路的另一端通过升档、降档和停止继电器分别与有载开关电连接，有载开关的另一端与调压变压器电连接。由于采用了模糊控制器，可使得碳/碳复合材料TCVI工艺过程温度实现闭环自动控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳/碳复合材料热梯度化学气相渗透过程温度自动控制器。

背景技术

利用热梯度化学气相渗透TCVI(Thermal-Gradient Chemical Vapor Infiltration，以下简称TCVI)制备高性能C/C复合材料，在文献“I.Golecki.Rapid vapor-phasedensification of refractory composites.Materials science andengeering，1997，20：60-79”已经公开。在TCVI过程中，沉积温度对预制体的致密化效率以及碳/碳复合材料的质量起着关键作用。在该文献公开的资料中，TCVI过程沉积温度是通过电加热石墨芯模产生热量来控制的。由于预制体电阻值随着预制体大小形状、沉积热解碳的进程而变化，同时受气体流速、水温及流量的影响，使得其温度控制难以实现自动控制。

发明内容

为了克服现有技术不能对碳/碳复合材料TCVI过程进行自动控制的不足，本发明提供一种碳/碳复合材料热梯度化学气相渗透过程温度自动控制器，可对碳/碳复合材料TCVI过程进行自动控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碳/碳复合材料热梯度化学气相渗透过程温度自动控制器，包括温度传感器5、调压变压器、整流柜，其特征在于：还包括A/D转换器、模糊控制器、D/A转换器、D/O转换器、驱动放大电路、升档继电器、降档继电器和停止继电器；温度传感器5插在化学气相渗透炉炉体3内，其输出端通过A/D转换器与模糊控制器电连接，模糊控制器的另一端通过D/A转换器与脉冲触发电路电连接，脉冲触发电路的另一端与整流柜电连接；模糊控制器还有一个端口通过D/O转换器与驱动放大电路电连接，驱动放大电路的另一端通过升档继电器、降档继电器和停止继电器分别与有载开关电连接，有载开关的另一端与调压变压器电连接。

所述的模糊控制器，温度控制仪与工业控制机算机之间通过串口RS-485电连接，其端口a与A/D转换器电连接，端口b与D/A转换器电连接，端口c与D/O转换器电连接。

本发明相比现有技术的优点在于：由于采用了模糊控制器，使得碳/碳复合材料TCVI工艺过程温度实现了闭环自动控制，不需人工调整，降低了劳动强度；本发明能够精确控制碳/碳复合材料TCVI工艺过程的沉积温度，使得制件的密度高、均匀性好，密度达1.80g/cm³以上，最大密度梯度小于0.05g/cm³。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图

图2是模糊控制器示意图

图中1.加热电极，2.预制体，3.炉体，4.冷却水管，5.温度传感器，18.进气管道，19.出气管道。

具体实施方式

本发明包括温度传感器5、A/D转换器、模糊控制器、D/A转换器、D/O转换器、驱动放大电路、升档继电器、降档继电器和停止继电器。温度传感器5插在化学气相渗透炉内，其输出端通过A/D转换器与模糊控制器电连接，模糊控制器的另一端通过D/A转换器与脉冲触发电路电连接，脉冲触发电路的另一端与整流柜电连接，作为其输入信号，控制脉冲触发电路中晶闸管的导通角度进而控制整流柜的整流电流大小。模糊控制器还有一个端口通过D/O转换器与驱动放大电路电连接，驱动放大电路的另一端通过升档继电器、降档继电器和停止继电器分别与有载开关电连接，控制电机升档、降档以及停止，有载开关的另一端与调压变压器电连接，通过升降档电机的动作来调整调压变压器的输出电压大小。

模糊控制器的端口a与A/D转换器电连接，端口b与D/A转换器电连接，端口c与D/O转换器电连接；模糊控制器中的温度控制仪与工业控制机算机之间通过串口RS-485电连接。它根据温度的输入信号和反馈信号来综合控制调整脉冲触发电路的触发电压大小和有载开关的动作，进而经调压变压器和整流柜产生精确的电流电压控制加热电极1的功率，使得预制体2沉积层的温度按照给定的工艺温度曲线运行，从而实现TCVI工艺过程的温度自动控制。冷却水管4用来降低炉体3温度，进气管道18和出气管道19是在热梯度化学气相渗透过程中用来调节渗透气流的。

模糊控制器是碳/碳复合材料TCVI工艺过程温度控制系统的控制中心，其输入信号为来自温度传感器的实测温度值和碳/碳复合材料TCVI工艺给定的温度曲线，其输出信号包括控制脉冲触发电路和有载开关两路控制信号。在沉积过程中，控制器根据工艺给定的温度曲线和实测的温度信号的比较值，在专用控制算法和软件的支持下，给出脉冲触发电路的控制电压信号和有载开关的动作信号，让调压变压器和整流柜输出合适的电流电压信号供给加热电极产生热量，使得预制体沉积层的温度按照给定的温度曲线运行。脉冲触发电路与控制器经D/A转换器电连接，有载开关与控制器之间经D/O转换器及驱动放大电路电连接，模糊控制器与温度传感器之间经A/D转换器电连接，模糊控制器对采集的温度信号进行数字滤波处理并对脉冲触发电路和有载开关进行实时控制，保证预制体沉积层温度按给定的工艺温度曲线变化。具体过程是，首先根据沉积工艺设定沉积温度曲线作为控制器的输入信号，温度传感器的信号经数字滤波后作为控制器的温度反馈信号。模糊控制器在专用软件和算法的支持下，根据输入信号和反馈信号的差值为脉冲触发电路和有载开关提供控制信号，控制整流柜和调压变压器输出合适的电流及电压供给加热电极产生热量，使得沉积层温度按照给定温度曲线运行，从而实现该工艺温度的闭环自动控制。

下面，以沉积层温度低于给定温度为例进行详细说明。温度传感器的信号经A/D转换器处理后输入模糊控制器，模糊控制器对温度信号进行数字滤波处理，然后与给定的温度曲线比较，结果低于给定的温度值，模糊控制器根据温度偏差的大小输出一控制电压信号到D/A转换器，转换为模拟信号控制脉冲触发电路的触发电压，模糊控制器并同时进行判断触发电压值是否达到最大值，如果没有则模糊控制器根据沉积过程的进行(沉积过程中供电功率需要不断增大)，逐步调整此控制信号并经D/A转换器后输出到脉冲触发电路，直到脉冲触发电压值到最大值不能再增加为止，而后，模糊控制器根据此时的结果，输出一信号经D/O转换器和驱动放大电路处理后控制升档继电器动作，经有载开关后控制调压变压器升压，并经整流柜后提高供给加热电极的功率，使得其产生更多的热量满足沉积层的温度要求，随着沉积层温度的变化，传感器采集的温度信号经A/D转换后到模糊控制器，模糊控制器在专用算法的支持下，自动调整一输出信号经D/A转换后到脉冲触发电路，减小其脉冲触发电压到一合适值，进而整流电流有所减小，加热电极产生的热量使得预制体的沉积层温度到给定的温度值。随着工艺沉积过程的进行，若实测温度低于给定的温度时，模糊控制器就按此过程反复调整进行实时控制。如果预制体沉积层的温度高于给定的温度值后，模糊控制器按此相反的过程调整进行实时控制。